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1 FISICA I
TRANSVERSAL
FISICA I TRANSVERSAL
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA
2 FISICA I
TRANSVERSAL
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AUTOR
Pablo Emilio Botero Tobón [email protected] Nota: el autor certificó (de manera verbal o escrita) No haber incurrido en fraude científico, plagio o vicios de autoría; en caso contrario eximió de toda responsabilidad a la Corporación Universitaria Remington, y se declaró como el único responsable. RESPONSABLES
Jorge Mauricio Sepúlveda Castaño Decano de la Facultad de Ciencias Básicas e Ingeniería [email protected] Eduardo Alfredo Castillo Builes Vicerrector modalidad distancia y virtual [email protected] Francisco Javier Álvarez Gómez Coordinador CUR-Virtual [email protected] GRUPO DE APOYO
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3 FISICA I
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TABLA DE CONTENIDO
Pág.
1 MAPA DE LA ASIGNATURA ...............................................................................................................................6
2 UNIDAD 1 GENERALIDADES ..............................................................................................................................7
2.1.1 RELACIÓN DE CONCEPTOS ................................................................................................................7
2.1.2 OBJETIVO GENERAL ..........................................................................................................................9
2.1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................................................9
2.2 Tema 1 Conceptos básicos de la física ................................................................................................... 10
2.2.1 ¿Qué es la física? ........................................................................................................................... 10
2.3 Tema 2: Medición .................................................................................................................................. 17
2.4 Tema 3 Notación Científica ................................................................................................................... 23
2.4.1 Ejercicio de Aprendizaje ................................................................................................................ 24
2.5 Tema 4 Cifras Significativas y Redondeo de cifras................................................................................. 26
2.5.1 Ejercicio de entrenamiento ........................................................................................................... 29
2.6 Tema 5 Factores de Conversión ............................................................................................................ 29
2.6.1 Ejercicio de aprendizaje ................................................................................................................. 30
2.6.2 Ejercicio de aprendizaje ................................................................................................................. 31
2.6.3 Ejercicios de entrenamiento .......................................................................................................... 31
2.7 Tema 6 Relaciones físicas ...................................................................................................................... 34
2.7.1 Ejercicio de aprendizaje ................................................................................................................. 36
2.8 Tema 7 Magnitudes Físicas .................................................................................................................... 37
2.8.1 EJERCICIO DE APRENDIZAJE .......................................................................................................... 42
2.8.2 Ejercicio de Aprendizaje ................................................................................................................ 46
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2.8.3 Ejercicios de Entrenamiento .......................................................................................................... 51
2.8.4 PRÁCTICA DE LABORATORIO ......................................................................................................... 55
3 UNIDAD 2 CINEMÁTICA ................................................................................................................................. 59
3.1.1 RELACIÓN DE CONCEPTOS ............................................................................................................. 59
3.2 Tema 1 Conceptos básicos de cinemática ............................................................................................. 62
3.3 Tema 2 Movimiento Rectilíneo Uniforme ............................................................................................. 65
3.3.1 Ejercicio de aprendizaje ................................................................................................................. 66
3.3.2 EJERCICIO DE APRENDIZAJE ........................................................................................................... 68
3.4 Tema 3 Movimiento Uniformemente Acelerado (MUA) ....................................................................... 71
3.4.1 Ejercicio de aprendizaje ................................................................................................................. 75
3.4.2 Ejercicios de Aprendizaje ............................................................................................................... 77
3.4.3 TALLER DE ENTRENAMIENTO ....................................................................................................... 81
3.4.4 Ejercicios de entrenamiento del tema caída libre ......................................................................... 85
3.4.5 LABORATORIO ............................................................................................................................... 85
3.5 Tema 4 Movimiento en el plano – Movimiento de proyectiles ............................................................ 88
3.5.1 Ejercicios de aprendizaje ............................................................................................................... 92
3.6 TEMA 5 Movimiento circular ................................................................................................................. 98
3.6.1 Ejercicio de Aprendizaje .............................................................................................................. 100
3.6.2 Ejercicios de Aprendizaje ............................................................................................................. 101
3.6.3 Ejercicios de Entrenamiento ........................................................................................................ 103
3.6.4 UNIDAD 3 Dinámica, Trabajo, Potencia y Energía, ...................................................................... 108
3.6.5 RELACIÓN DE CONCEPTOS ........................................................................................................... 109
3.6.6 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................................... 110
3.6.7 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................................................. 110
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3.7 Tema 1 Dinámica ................................................................................................................................. 111
3.8 Tema 1 Leyes fundamentales de la dinámica ...................................................................................... 111
3.8.1 Ejercicio de Aprendizaje .............................................................................................................. 117
3.8.2 Ejercicio de aprendizaje ............................................................................................................... 118
3.9 Tema 2 Diagrama de cuerpo libre ....................................................................................................... 119
3.9.1 Ejercicio de Entrenamiento ......................................................................................................... 119
3.9.2 Ejercicios de aprendizaje ............................................................................................................. 121
3.9.3 Ejercicios de entrenamiento ....................................................................................................... 128
3.9.4 Tema 3 Trabajo, Potencia y Energía, impulso y Cantidad de Movimiento, choques Elásticos e Inelásticos .................................................................................................................................................... 130
3.9.5 Ejercicio de Aprendizaje .............................................................................................................. 132
3.9.6 Ejercicio de Aprendizaje .............................................................................................................. 133
3.9.7 Ejercicio de Aprendizaje .............................................................................................................. 135
3.9.8 Ejercicios de Entrenamiento ........................................................................................................ 135
3.9.9 Ejercicios de Aprendizaje ............................................................................................................. 137
3.9.10 Ejercicio de Aprendizaje .............................................................................................................. 139
3.9.11 Ejercicios de Entrenamiento ........................................................................................................ 139
4 PISTAS DE APRENDIZAJE .............................................................................................................................. 142
5 GLOSARIO .................................................................................................................................................... 147
6 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................................. 151
6.1.1 Fuentes digitales o electrónicas .................................................................................................. 151
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1 MAPA DE LA ASIGNATURA
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2 UNIDAD 1 GENERALIDADES
UNIDADES FUNDAMENTALES Enlace
https://davidbuiles.wordpress.com/videoteca/vidoes-de-fisica-mecanica/ :En este enlace encontrarás varios videos que te ilustran cada uno de los temas de la unidad y todos los temas del módulo.
2.1.1 RELACIÓN DE CONCEPTOS
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La Física: Es una ciencia cuyo objetivo es estudiar Los componentes de la materia sus interacciones mutuas.
Notación Científica: Es una manera rápida de representar un número utilizando potencias de base diez. Esta notación se utiliza para poder expresar muy fácilmente números muy grandes o muy pequeños
Factores de Conversión: El factor de conversión o de unidad es una fracción en la que el numerador y el denominador son cantidades iguales expresadas en unidades de medida distintas, de tal manera, que esta fracción equivale a la unidad.
La luz: Se llama luz (del latín lux, lucis) a la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el término luz se usa en un sentido más amplio e incluye todo el campo de la radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la expresión luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible.
El sonido: El sonido (del latín sonĭtus, por analogía prosódica con ruido, chirrido, rugido, etcétera), en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
El calor: l calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.
El movimiento: En mecánica, el movimiento es un cambio de la posición de un cuerpo a lo largo del tiempo respecto de un sistema de referencia.
El electromagnetismo: Es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell.
La biología: La biología (del griego «βίος» bíos, vida, y «-λογία» -logía, tratado, estudio, ciencia) es la ciencia que tiene como objeto de estudio a los seres vivos y, más específicamente, su origen, su evolución y sus propiedades: nutrición, morfogénesis, reproducción, patogenia, etc. Se ocupa tanto de la descripción de las características y los comportamientos de los organismos individuales, como de las especies en su conjunto, así como de la reproducción de los seres vivos y de las interacciones entre ellos y el entorno.
La astronomía: La astronomía (del latín astronomía, y este del griego ἀστρονομία)1 es la ciencia que se ocupa del estudio de los cuerpos celestes del universo, incluidos los planetas y sus satélites, los cometas y meteoroides, las estrellas y la materia interestelar, los sistemas de materia oscura, estrellas, gas y polvo llamados galaxias y los cúmulos de galaxias; por lo que estudia sus movimientos y los fenómenos ligados a ellos. Su registro y la investigación de su origen vienen a partir de la información que llega de ellos a través de la radiación electromagnética o de cualquier otro medio.
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La Geología: a geología (del griego γῆ /guê/, ‘Tierra’, y -λογία /-loguía/, ‘tratado’)1 2 es la ciencia que estudia la
composición y estructura interna de la Tierra, y los procesos por los cuales ha ido evolucionando a lo largo
del tiempo geológico.
Medir: La medición es un proceso básico de la ciencia que consiste en comparar un patrón seleccionado con el
objeto o fenómeno cuya magnitud física se desea medir para ver cuántas veces el patrón está contenido en esa
magnitud.
Proporcionalidad: Es una relación o razón constante entre magnitudes medibles.
Magnitudes Físicas: Una magnitud física es una propiedad o cualidad medible de un sistema físico, es decir, a la
que se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición o una relación de medidas. Las
magnitudes físicas se miden usando un patrón que tenga bien definida esa magnitud, y tomando como unidad
la cantidad de esa propiedad que posea el objeto patrón.
Magnitudes Vectoriales: En física, un vector (también llamado vector euclidiano o vector geométrico) es
una magnitud física definida por un punto del espacio donde se mide dicha magnitud, además de
un módulo (o longitud), su dirección (u orientación) y su sentido (que distingue el origen del extremo).
*Las definiciones anteriores fueron tomadas de: Wikipedia, la enciclopedia libre
2.1.2 OBJETIVO GENERAL
Establecer las relaciones físicas a través de la toma de datos, conversión de unidades de medición, por medio
de factores de conversión, tablas y gráficos.
2.1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar Sistemas de unidades para la medición de magnitudes fundamentales de la física, realizando,
además, transformaciones de unidades por medio de los Factores de conversión, utilizando el concepto
de cifras significativas y expresando el resultado en Notación Científica.
Utilizar correctamente las Relaciones de proporcionalidad: directa e inversa, para el análisis de gráficos,
tipos de variables, el diseño de tablas y la toma de datos.
Definir Magnitudes escalares y vectoriales, realizando además operaciones con vectores libres y Suma
gráfica y analítica de vectores en el plano cartesiano, determinando Magnitud, dirección y sentido de un
vector resultante.
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2.2 TEMA 1 CONCEPTOS BÁSICOS DE LA FÍSICA
2.2.1 ¿QUÉ ES LA FÍSICA?
La Física es una ciencia cuyo objetivo es estudiar:
Los componentes de la materia,
y
Sus interacciones mutuas.
Nota: En función de estas interacciones la ciencia explica las propiedades de la materia en conjunto, así como los otros fenómenos que se observan en la naturaleza.
LAS PARTES CLASICAS DE LA FISICA
EL hombre, poseedor de una mente investigadora, ha tenido siempre una gran curiosidad acerca de cómo funciona la naturaleza. Al principio sus únicas fuentes de información fueron sus sentidos y por ello clasifico los fenómenos observados de acuerdo a la manera en que los percibía:
LA LUZ Fue relacionada con la visión y la óptica se desarrolló como una ciencia más o menos asociada a ella.
EL SONIDO Fue relacionado con la audición y la acústica se desarrolló como una ciencia correlativa.
EL CALOR Fue relacionado a otra clase de sensación Física, y por muchos años el estudio del calor (denominado termodinámica) fue otra parte autónoma de la Física.
EL MOVIMIENTO
Evidentemente, es el más común de todos los fenómenos observados directamente, y la ciencia del movimiento, la mecánica, se desarrolló más temprano que cualquier otra rama de la Física. El movimiento de los planetas causado por sus interacciones gravitatorias, así como la caída libre de los cuerpos, fue satisfactoriamente explicado por las leyes de la mecánica: por ello la gravitación se consideró tradicionalmente como un capítulo de la mecánica.
EL ELECTROMAGNETISMO No estando relacionado directamente con ninguna experiencia sensorial- a pesar de ser responsable de la mayoría de ellas- no apareció como una rama organizada de la Física sino hasta el siglo XIX.
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De esta manera en el siglo XIX la Física aparecía dividida en unas pocas ciencias o ramas (llamadas clásicas): Mecánica, calor, sonido, óptica y electromagnetismo, con muy poca o ninguna conexión entre ellas, aunque la mecánica fue, con toda propiedad, el principio para todas ellas. Últimamente una nueva rama de la física denominada física moderna, que cubre los desarrollos de la física del siglo XXI se ha agregado a estas ramas “clásicas”.
Las ramas “clásicas” de la física son, y lo seguirán siendo, campos muy importantes de especialización y actividad profesional, sin embargo, no tiene sentido estudiar los fundamentos de la física de tal modo. El mismo conjunto de fenómenos incluidos bajo el electromagnetismo y la física moderna han producido una nueva tendencia en el pensamiento que mira a los fenómenos físicos desde un punto de vista unificado y más lógico, siendo ésta una de las grandes proezas del siglo XXI. Esta presentación unificada de la física requiere de una reevaluación de la física clásica desde un punto de vista moderno y no una división de la física en clásica y moderna. Es claro que habrá siempre una física moderna en el sentido que habrá una física contemporánea en proceso de desarrollo. Esta física moderna requerirá cada momento de una revisión y reevaluación de ideas y principios previos. La física clásica y moderna deberá integrarse en cada etapa en un solo cuerpo de conocimiento. La física será siempre un todo que debe considerarse de una manera lógica y consecuente.
RELACION DE LA FISICA CON OTRAS CIENCIAS
La aplicación de los principios de la Física y la química a los problemas prácticos, en la investigación y el desarrollo así como en la práctica profesional ha dado lugar a las diferentes ramas de la ingeniería. La práctica moderna de la ingeniería al igual que la investigación seria imposibles sin la comprensión de las ideas fundamentales de las ciencias naturales, entre ellos tenemos casos tales como:
– La biología se basa fundamentalmente en la Física y en la química para explicar los procesos que ocurren
en los cuerpos vivientes.
– La astronomía requiere de técnicas ópticas, de radio, y espectroscópicas.
– La Geología utiliza en sus investigaciones métodos gravimétricos, nucleares y mecánicos.
– Lo mismo puede decirse del oceanógrafo, del meteorólogo, del sismólogo entre otros.
– Un hospital moderno está equipado con laboratorios en los cuales se usan técnicas muy refinadas de la
Física.
– En resumen casi todas las actividades de investigación incluyendo campos como la arqueología, la
paleontología, historia y arte pueden difícilmente avanzar sin el uso de las técnicas modernas de la Física.
Esto le da al físico el grato sentimiento que no solo está haciendo avanzar el conocimiento que existe sobre la naturaleza, sino, que está contribuyendo al progreso de la humanidad.
VISION DEL UNIVERSO
Se considera que la materia está compuesta de un manojo de partículas fundamentales y que todos los cuerpos vivientes e inertes están hechos de diferentes grupos de ordenamiento de tales partículas.
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Tres de estas partículas fundamentales son importantes por su presencia en muchos fenómenos comunes:
Electrones, Protones, y Neutrones.
Estas partículas están presentes en grupos bien definidos llamados Átomos, con los protones y neutrones situados en una región central muy pequeña llamada Núcleo.
Se han reconocido cerca de 104 especies diferentes de Átomos. Pero hay alrededor de 1300 variedades diferentes de átomos, denominados Isótopos.
Los átomos a su vez forman otros agregados llamados Moléculas, de las cuales existen millones.
El número de moléculas diferentes es extremadamente grande, ya que día a día se sintetizan gran cantidad de las mismas en los laboratorios de química.
Nota 1: Algunas moléculas contienen pocos átomos tales como el ácido clorhídrico, constituido por un átomo de hidrogeno y un átomo de cloro (HCL).
Nota 2: Otras moléculas pueden tener centenares de átomos, tal como las proteínas, las enzimas y los ácidos nucleicos ADN y ARN.
Nota 3: Las moléculas se agrupan formando cuerpos(o materia en conjunto). Apareciendo como Sólidos, líquidos o gases, aunque esta clasificación no es del todo rígida.
Nota 4: Una clase particularmente importante es el cuerpo viviente o materia viviente, llamada también protoplasma, en el cual las moléculas aparecen altamente organizadas y exhiben propiedades y funciones de la materia inerte
A continuación se muestran algunos ejemplos de la composición de los cuerpos:
CUERPO COMPOSICIÓN
El cuerpo humano
Es el más desarrollado de los seres vivientes, están compuestos
de cerca de 𝟏𝟎𝟐𝟖 átomos. La mayor parte de los cuales son de carbón, hidrogeno, oxígeno y nitrógeno.
El sistema solar
Es un agregado de varios cuerpos llamados planetas, los cuales giran alrededor de una estrella llamada Sol. Uno de estos
planetas es la tierra, la cual contiene cerca de 𝟏𝟎𝟓𝟏 átomos. El
Sol está compuesto por cerca de 𝟏𝟎𝟓𝟕 átomos.
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Agregado de estrellas qué forman una galaxia llamada Vía Láctea
El sistema solar es a su vez una pequeña parte de un agregado
de, la cual está compuesta por cerca de 𝟏𝟎𝟏𝟏 estrellas o 𝟏𝟎𝟕𝟎 átomos. Se han observado muchas galaxias similares a la nuestra,
estando la más cercana a 2 millones de años luz o 𝟐 ∗ 𝟏𝟎𝟐𝟐 m.
El universo Puede contener 𝟏𝟎𝟐𝟎 estrellas, agrupadas en cerca de 𝟏𝟎𝟏𝟎
galaxias y conteniendo un total de 𝟏𝟎𝟖𝟎 átomos.
Pero surgen una cantidad de preguntas acerca de la formación de estos cuerpos, preguntas tales como:
¿Por qué y cómo se unen los electrones, protones y neutrones para formar átomos?
¿Por qué y cómo se unen las moléculas para formar cuerpos?
¿Cómo es que la materia se agrega para formar desde partículas de polvo hasta planetas gigantes, desde bacterias hasta esa criatura que es el Hombre?
Para contestar estas preguntas se debe tomar la noción de INTERACCION y definirla:
Se dice entonces que:
Las partículas de un átomo interactúan entre sí para producir una configuración estable.
Los átomos a su vez interactúan para formar moléculas.
Las moléculas interactúan para formar cuerpos.
Nota: La materia en conjunto exhibe ciertas interacciones tales como la gravitación.
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Aristóteles dijo: los átomos se mueven en el vacío y enlazándose unos con otros se empujan y algunos rebotan en cualquier dirección al azar y otros se unen entre sí en grados diferentes de acuerdo a la simetría de sus formas, tamaños, posiciones y orden, ellos permanecen juntos y así se llega a las cosas compuestas.
T. D. Lee en 1965.
“El propósito de la ciencia es buscar aquel conjunto de principios fundamentales a través de los cuales todos los hechos conocidos son comprendidos y por medio de los cuales se producen nuevos resultados. Puesto que la materia está compuesta de las mismas unidades básicas, el último fundamento de todas las ciencias naturales debe basarse en las leyes que gobiernan el comportamiento de estas partículas elementales”.
El objetivo primario del físico es descubrir las diferentes interacciones de la materia, tales como:
Gravitacionales,
Electromagnéticas, y
Nucleares.
Luego trata de expresarlas de manera cuantitativa, para lo cual requiere de la matemática. Finalmente formula reglas generales acerca del comportamiento de la materia en conjunto.
Una descripción del comportamiento de la materia en conjunto es por necesidad de naturaleza estadística, ya que involucra un número grande de moléculas, cuyos nacimientos individuales son imposibles de seguir.
Por ejemplo en una gota de lluvia puede haber 𝟏𝟎𝟐𝟎 moléculas de agua.
La Física cubre rangos de pequeñas y grandes magnitudes yendo desde longitudes del orden de 𝟏𝟎−𝟏𝟓 m y
masas del orden de 𝟏𝟎−𝟑𝟏Kg. y hasta longitudes del orden de 𝟏𝟎𝟗m y masas de 𝟏𝟎𝟑𝟎kg en cuerpos como nuestro sistema solar
Temas tomados del Libro: “Física tomo I de Alonso Finn”
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RAMAS DE LA FÍSICA
Mecánica
Estudia el movimiento de los cuerpos, está a su vez se divide en:
- Cinemática: estudia el movimiento de los cuerpos, sin analizar las causas que lo producen, ni la masa del cuerpo que se mueve.
____________________________
- Dinámica: Analiza las causas que producen el movimiento; Estática: Estudia el equilibrio de los cuerpos.
CALÓRICA
Estudia:
- Los fenómenos térmicos,
- Los cambios de temperatura,
- La dilatación térmica, entre otros.
HIDROMECÁNICA
Estudia los fluidos:
- Líquidos,
y
- Gases.
ELÉCTRICA Analiza los fenómenos creados por los campos eléctricos.
MAGNETISMO Estudia los fenómenos creados por los campos eléctricos.
ÓPTICA Estudia la luz y su interacción con la materia.
FÍSICA ATÓMICA Estudia los fenómenos producidos en el interior del átomo y las interacciones en el interior del núcleo atómico.
FISICA NUCLEAR Analiza el átomo cuando hay rompimiento o fisión de este y por consiguiente, liberación de la energía almacenada.
Etimología de la palabra Física
PHISIS: Naturaleza
ICA: Tratado o estudio
NATURALEZA= ENERGIA = MATERIA.
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PROPIEDADES DE LA MATERIA
EXTENSION
Propiedad que tiene todo cuerpo de ocupar lugar en el espacio.
- La porción de espacio ocupado por el cuerpo se llama volumen, y - La materia contenida en ese volumen se llama masa.
GRAVEDAD Propiedad por la cual todo cuerpo es atraído hacia el centro del cuerpo celeste donde se encuentre.
IMPENETRABILIDAD Propiedad por la cual dos cuerpos no pueden ocupar el mismo lugar al mismo tiempo.
DIVISIBILIDAD Propiedad que tienen los cuerpos de dejarse partir cada vez en porciones más pequeñas.
INERCIA Propiedad por la cual ningún cuerpo puede cambiar su estado de reposo o movimiento por sí solo.
COMPRESIBILIDAD Propiedad que tiene todo cuerpo de alterar su volumen mediante una fuerza externa (elasticidad).
POROSIDAD Propiedad que tiene la materia de no ser compacta, es decir, de presentar espacios vacíos llamados poros.
ESTADO NATURAL DE LA MATERIA Son las formas como ésta se presenta, según la manera de agrupar sus átomos o moléculas.
Nota: Dada
- Gravedad (g);
- Cohesión©=fuerza de amarre;
- Repulsión®: fuerza de separación:
La relación que se da entre los diferentes estados de la materia y estos conceptos, está dada de la siguiente forma:
a. En el Estado Sólido: 𝑪 > 𝒈 > 𝒓
b. En el Estado Líquido:𝒈 > 𝑪 > 𝒓
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c. En el Estado Gaseoso: 𝒈 > 𝒓 > 𝑪
FENOMENOS NATURALES
Son los cambios que experimenta la materia con la energía.
Son físicos cuando no se altera:
- Ni la naturaleza,
- Ni las propiedades de los cuerpos,
Ejemplo:
Hielo más energía = vapor
Son químicos, cuando se altera la naturaleza
y sus propiedades:
Ejemplo:
Sodio + cloro= sal común.
Son alotrópicos, cuando son intermedios
entre los físicos y los químicos.
ENERGIA Es un principio activo, que tiende o que es capaz de cambiar el estado de un cuerpo.
SUSTANCIA Porción de materia sin forma propia.
CUERPO Porción de materia con forma propia
2.3 TEMA 2: MEDICIÓN
Antes de entrar a trabajar sobre el concepto de medición es muy importante tener claro el concepto de lo que es una Magnitud.
Magnitud: Es toda propiedad física o química que puede medirse, es decir que puede establecerse objetivamente.
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Nota: Las propiedades que no pueden establecerse de forma objetiva, o sea Subjetivas, no son Magnitudes Físicas.
Por ejemplo, la altura de una persona, el ancho de una calle, la velocidad con la cual se desplaza un carro se pueden determinar de una forma objetiva por lo tanto se pueden medir, pero la belleza de una persona está sujeta a quien la contemple, por lo tanto es subjetiva y no es una magnitud física.
Pero, surgen entonces unas preguntas:
1. ¿Qué es Medir?
Para definir este concepto aparece el concepto de comparación, que nos permite acercarnos, de una forma clara, a la definición de medir:
Medir: Es comparar una magnitud física con un patrón determinado previamente y en forma arbitraria escogida por convenio.
Nota 1: Los patrones nunca cambian su valor, aunque han ido evolucionando porque los anteriores eran variables y se han establecido otros considerados invariables.
Nota 2: Cualquier valor de una cantidad física puede expresarse como un múltiplo de la unidad de medida.
Nota 3: Una unidad de medida toma su valor a partir de un patrón o de una composición de otras unidades
definidas previamente.
2. ¿Qué se mide?
Las primeras unidades se conocen como unidades básicas o de base (fundamentales), mientras que las segundas
se llaman unidades derivadas.
a. Se mide fundamentalmente (Medidas Fundamentales):
MAGNITUD FUNDAMENTAL UNIDAD SÍMBOLO
TIEMPO SEGUNDO s
LONGITUD METRO m
INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA AMPERIO A
MOL CANTIDAD DE SUSTANCIA mol
KILOGRAMO MASA Kg.
KELVIN TEMPERATURA K
CANDELA INTENSIDAD LUMINOSA Cd
Nota: Estos siete patrones fueron definidos por El Sistema Internacional de Unidades
2.1 Múltiplos y Submúltiplos de las Unidades Fundamentales
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A continuación se detallarán en un esquema los múltiplos (unidades mayores) y los submúltiplos (unidades menores) de las unidades fundamentales, el nombre, el símbolo y la respectiva equivalencia en potencias de diez y en números: Nota: Esta tabla sirve para expresa cualquier múltiplo o submúltiplo de las unidades fundamentales.
2.2 Tabla de prefijos de múltiplos y submúltiplos
Nomenclatura:
MÚLTIPLOS
UNIDAD FUNDAMENTAL
SUBMÚLTIPLOS
10n SIMB Nombre Representa de la unidad en números
1024 Y yotta cuatrillón 1.000.000.000.000.000.000.000.000
1021 Z zetta mil trillones 1.000.000.000.000.000.000.000
1018 E exa trillón 1.000.000.000.000.000.000
1015 P peta mil billones 1.000.000.000.000.000
1012 T tera billón 1.000.000.000.000
109 G giga mil millones 1.000.000.000
106 M mega millón 1.000.000
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103 k kilo mil 1.000
102 h hecto cien 100
101 da deca diez 10
100 unidad 1
10-1 d deci décimo 0,1
10-2 c centi centésimo 0,01
10-3 m mili milésimo 0,001
10-6 μ micro millonésimo 0,000.001
10-9 n nano milmillonésimo 0,000.000.001
10-12 p pico billonésimo 0,000.000.000.001
10-15 f femto milbillonésimo 0,000.000.000.000.001
10-18 a atto trillonésimo 0,000.000.000.000.000.001
10-21 z zepto miltrillonésimo 0,000.000.000.000.000.000.001
10-24 y yocto cuatrillonésimo 0,000.000.000.000.000.000.000.001
Tomada de: Tabla de prefijos de múltiplos y submúltiplos - Ricardo Cabrera... ricuti.com.ar/No_me_salen/MISCELANEA/multiplos.html
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Otras medidas utilizadas en la medición de Magnitudes Físicas de longitud.
UNIDAD EQUIVALENCIA
LEGUA MARINA 3 millas marinas
MILLA MARINA 185.318,40 centímetros
LEGUA TERRESTRE 4,435 Km (4.435 m)
MILLA TERRESTRE 1760 yardas
YARDA 3 pies = 91.44cm
PIE 12 pulgadas=30.48 cm.
PULGADA 2.54 cm.
b. Medidas Derivadas
Son aquellas que se derivan, como una combinación, de las medidas fundamentales y pueden ser Definidas o
indefinidas, entre ellas se tienen:
Nota: Todas las magnitudes físicas derivadas se definen como una combinación de las magnitudes físicas fundamentales.
MAGNITUD DERIVADA UNIDAD SÍMBOLO LECTURA
ÁREA A 𝐿2 Longitud al cuadrado. VOLUMEN V 𝐿3 Longitud al cubo (volumen). DENSIDAD D 𝑀
𝐿3
𝑀𝑎𝑠𝑎
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
ACELERACIÓN A 𝐿
𝑇2
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜
FUERZA F
𝑀 ∗𝐿
𝑇2 𝑀𝑎𝑠𝑎 ∗
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑
Á𝑟𝑒𝑎
ENERGÍA E
𝑀 ∗𝐿2
𝑇2 𝑀𝑎𝑠𝑎 ∗
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑎𝑙 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜
22 FISICA I
TRANSVERSAL
3. ¿Con qué se mide?
Después de responder las anteriores preguntas se genera esta nueva inquietud, para resolverla a través de la física se han determinado tres métodos para hacerlo, siendo uno de ellos el más utilizado en la actualidad (el Sistema Internacional, que se definirá más adelante).
Los sistemas definidos están determinados de la siguiente forma:
a. Sistema Cegesimal
– Longitud: El centímetro (cm)
– Masa: El gramo (g) – Tiempo: El segundo (s)
Por lo tanto:
Unidad Fundamental
Longitud Masa Tiempo Sistema Cegesimal
Símbolo Centímetro (cm) El gramo (g) El segundo (s) c. g. s
b. Sistema Inglés
– Longitud: El pie (foot) (f)
– Masa: La libra (poundal) (p) – Tiempo: El segundo (second) (s)
Por lo tanto:
Unidad Fundamental
Longitud Masa Tiempo Sistema Inglés
Símbolo El Pie
(foot – f)
La Libra
(Poundal – p)
El segundo
(Second – s)
f. p. s
c. Sistema Internacional (S.I)
– Longitud: El metro (m)
– Masa: El Kilogramo (poundal) (k) – Tiempo: El segundo (second) (s)
23 FISICA I
TRANSVERSAL
Por lo tanto:
Unidad Fundamental
Longitud Masa Tiempo Sistema Internacional
Símbolo El metro
(m)
El kilogramo
(K)
El segundo
(s)
m. k. s.c.
(S.I)
Nota: Este sistema también es conocido como Sistema M.K.S.C, el cual hace alusión a las iniciales de cada una de las unidades fundamentales, la C corresponde a la medición de la carga eléctrica.
2.4 TEMA 3 NOTACIÓN CIENTÍFICA
Expresar una magnitud física en notación científica, es expresar magnitudes demasiado grandes o demasiado
pequeñas utilizando las potencias del número 10.
Para expresar una magnitud en notación científica se procede de la siguiente forma:
Se debe desplazar la coma, que indica la cifra decimal, bien sea a la derecha o a la izquierda, con el fin de obtener
una magnitud que contenga:
Un número entero de una sola cifra, diferente de cero, seguido de la coma y el número de cifras significativas
(Ver redondeo de cifras) que se vayan a utilizar, multiplicado por la potencia de 10 correspondiente.
Nota 1: Cuando la coma se desplaza hacia la izquierda, para obtener el número entero de una sola cifra
diferente de cero, se debe multiplicar por una potencia de diez positiva.
Nota 2: Cuando la coma se desplaza hacia la derecha, para obtener el número entero de una sola cifra
diferente de cero, se debe multiplicar por una potencia de diez Negativa.
24 FISICA I
TRANSVERSAL
2.4.1 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Expresar en Notación científica las siguientes magnitudes:
a. 149.958.525,38 m
Procedimiento:
Para obtener el número entero de una sola cifra, la coma se debe desplazar hacia la izquierda 8 lugares (que corresponden a las potencias de 10 positivas, cada lugar es una potencia de 10), esto es:
1 4 9 9 5 8 5 2 5, 3 8m 𝟖
← 𝟕←
𝟔←
𝟓←
𝟒←
𝟑←
𝟐←
𝟏←
1, 8 lugares 3 8
𝟏𝟎+𝟖
La magnitud quedaría:
𝟏, 𝟒𝟗𝟗𝟓𝟖𝟓𝟐𝟓𝟑𝟖 × 𝟏𝟎+𝟖 𝒎
b. 0.000489 Kg
Procedimiento:
Para obtener el número entero de una sola cifra, la coma se debe desplazar hacia la derecha 4 lugares (que corresponden a las potencias de 10 negativas, cada lugar es una potencia de 10), esto es:
0, 0 0 0 4 8 9 Kg
𝟏→
𝟐→
𝟑→
𝟒→
0 0 0 0 4, 8 9 Kg
25 FISICA I
TRANSVERSAL
4 lugares
𝟏𝟎−𝟒
La magnitud quedaría:
𝟒, 𝟖𝟗 × 𝟏𝟎−𝟒 𝒎
Nota: Los ceros a la izquierda del 4 no tienen ningún valor.
c. 589260 km
Procedimiento:
Para obtener el número entero de una sola cifra, la coma se debe desplazar hacia la Izquierda 5 lugares (que corresponden a las potencias de 10 positivas, cada lugar es una potencia de 10), esto es:
Nota: Aparentemente no existe la coma; lo que ocurre es que en un número entero, la coma siempre
está a la derecha de la última cifra del número, en este caso a la derecha del cero.
5 8 9 2 6 0, Km
𝟓←
𝟒←
𝟑←
𝟐←
𝟏←
5, 8 9 2 6 0 Km
5 lugares
26 FISICA I
TRANSVERSAL
𝟏𝟎+𝟓
La magnitud quedaría:
𝟓, 𝟖𝟗𝟐𝟔𝟎 × 𝟏𝟎+𝟓 𝑲𝒎 𝒐 𝟓, 𝟖𝟗𝟐𝟔 × 𝟏𝟎+𝟓
Nota: Este cero tampoco es necesario colocarlo
Para profundizar http://educaplus.org/play-179-Notación-científica.html
2.5 TEMA 4 CIFRAS SIGNIFICATIVAS Y REDONDEO DE CIFRAS
Redondeo
Para el manejo de las magnitudes físicas se requiere el redondeo de ellas, por lo tanto es indispensable el manejo de este concepto.
Se entiende por redondear un número, reducir el número de cifras del mismo, consiguiendo un valor parecido, pero que se nos haga más fácil de utilizar en los procesos a desarrollar.
Por ejemplo: si se tiene el número 52, pero se están analizando los múltiplos de número 10, por facilidad aproximaríamos dicho número a 50, que es el múltiplo más próximo, pero si el número fuese 57 lo aproximaríamos a 60 que es el más cercano.
Métodos utilizados para redondear cifras
En este aparte utilizaremos el método más utilizado para redondear cifras, denominado el Método Normal, aunque existen otros métodos diferentes que no analizaremos en este aparte, sin embargo, a continuación, se realizará una actividad con los mismos.
Actividad: Consulte y muestre algunos ejemplos de otros métodos, diferentes al normal.
De acuerdo al Método Normal, cómo Redondear números:
El redondeo se realiza de acuerdo a las necesidades que se tengan de determinados procedimientos, esto es, cual es la precisión buscada al desarrollar cierta actividad, cuál es el nivel de exactitud requerido para determinar las conclusiones buscadas al desarrollar la actividad.
27 FISICA I
TRANSVERSAL
a) Se determina cuál es la última cifra que se quiere mantener.
b) Se aumenta en 1 si la cifra siguiente es 5 o más (Redondear arriba).
c) Se deja igual si la siguiente cifra es menor que 5 (redondear abajo)
Nota: Es decir, si la primera cifra que quitamos es 5 o más, entonces aumentamos la última cifra que queda en 1.
Redondeo de números decimales
Se determina si el redondeo se realizará con décimas, centésimas, milésimas…, esto es, cuantas cifras decimales serán tenidas en cuenta, por ejemplo:
Número y condición de redondeo Redondeo Razón
3,1416 redondearlo en centésimas 3,14 La cifra siguiente (1) es menor que 5.
1,2637 redondearlo en décimas 1,3 La cifra siguiente (6) es 5 o más.
1,2635 redondearlo en tres cifras decimales
1,264 La cifra siguiente (5) es 5 o más.
Redondeo de números enteros:
Si se quiere redondear a decenas, centenas, entre otras, se tienen que reemplazar las cifras que se quitan por ceros, esto es:
Número y condición de redondeo Redondeo Razón
134,9 redondearlo en decenas 130 La cifra siguiente (4) es menor que 5.
12.690 redondearlo en miles 13.000 La cifra siguiente (6) es 5 o más.
1,239 redondearlo en unidades 1 La cifra siguiente (2) es menor que 5.
Redondeo de cifras significativas:
28 FISICA I
TRANSVERSAL
Para redondear “tantas” cifras significativas, solo se tiene que contar de izquierda a derecha y realizar el redondeo allí.
Nota: Si el número empieza por ceros, estos no se cuentan, estos ceros indican únicamente lo pequeño que es el número.
Número y condición de redondeo Redondeo Razón
1,239 redondearlo a tres cifras significativas
1,24 La cifra siguiente (9) es 5 o más.
134,9 redondearlo a una cifra significativa
100 La cifra siguiente (3) es menor que 5.
0,0165 redondearlo a dos cifras significativas
0,017 La cifra siguiente (5) es 5 o más.
Cifras significativas en física
En el resultado de una medición solo deben aparecer los números correctos y el número aproximado. Estos son los convencionalismos utilizados por los físicos y los químicos y en general por personas que efectúan mediciones. Por lo tanto las cifras significativas son los números correctos y el primer número dudoso.
Ejemplo
Se quiere medir la longitud de una varilla con una regla graduada cuya división es de 1 mm. Cuando Vamos a dar la medida de ésta se nota que dicha longitud está comprendida entre 14.3 y 14.4 cm entonces esta longitud debe darse como 14.3 ya que la regla no tiene divisiones inferiores a 1 mm.
Si se suponen divisiones de un milímetro en 10 partes entonces se puede decir que la varilla mide 14.35, o 14.34 o 14.36, vemos pues que la última cifra es dudosa o incierta.
El convencionalismo de la cifra significativa es adoptado también para medidas de masas, temperaturas, fuerzas, entre otras.
Si se dan dos medidas, por ejemplo 82 kg y 82.0 kg, estas no representan exactamente la misma cosa. En la primera medida el número 2 se calculó en forma aproximada y no se tiene certeza acerca de su valor, pero en el segundo valor el número dudoso es el cero por lo tanto el número 2 es el número correcto. De la misma forma cuando se tienen dos medidas por ejemplo 6,37 kg y 6,35 kg, no son muy distintos pues solo difieren el número estimativo de aproximación y podemos decir entonces 6,4. Kg para ambos casos.
29 FISICA I
TRANSVERSAL
Nota: En la actualidad existen aparatos electrónicos que determinan cualquier medición con exactitud y precisión determinante.
2.5.1 EJERCICIO DE ENTRENAMIENTO
1. En un experimento, se midió una distancia de 20.000 m. El número de cifras significativas de esta medida
es:
a. 1 b. 2 c. 3 d 4 e 5
2. Las cifras significativas para una distancia que se midió con una regla graduada en cm fue entre 20.4
y 20. 5 esta medida se toma como:
a. 20.35 b. 20.55 c. 20.30 d. 20.50
3. El orden de magnitud de una distancia de 895 m es:
a. 10 b. 102 c. 103 d. 104 e 105
4. El redondeo correcto de 23,1 + 0,546 +1,45 es :
a. 25.00 c. 25.096 d. 25.1
5. El redondeo correcto de 157 – 5,5 es:
a. 162 b. 162.5 c. 151 d. 163
2.6 TEMA 5 FACTORES DE CONVERSIÓN
Con frecuencia se deben realizar conversiones de una unidad a otra para facilitar la solución de diferentes problemas. En este caso, es necesario tener en cuenta algunas equivalencias entre unidades.
Es importante tener en cuenta los múltiplos y submúltiplos para las diferentes unidades con las que es posible abreviar la notación con potencias de diez.
Tomado de: https://prezi.com/1lp4g6krddl8/fisica/
30 FISICA I
TRANSVERSAL
2.6.1 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Expresar las siguientes magnitudes, utilizando los múltiplos y submúltiplos de la tabla anterior:
Capacidad instalada de Colombia 15,000,000,000 W
Esta cantidad corresponde a 15*109 W utilizando notación científica. Utilizando múltiplos 109 corresponde a giga, por lo que puede expresarse como 15 GW.
¿Cómo se realiza una conversión?
Suponga que se requiere realizar una conversión de 400 m/s a km/s.
Utilizamos factores de conversión de acuerdo a una equivalencia. De la tabla se tiene que k (kilo) corresponde a 103, es decir, 1km=103m 1km=1000m. Un kilómetro tiene mil metros.
𝐷𝐴𝑇𝑂 ∗𝐿𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑜
𝐿𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑔𝑜
El dato del problema corresponde a los 400 m/s, “quiero” kilómetros y tengo metros. La idea es que los metros queden en el denominador para que pueda cancelarlos.
400𝑚
𝑠∗
1𝑘𝑚
1000 𝑚= 0,4 𝑘𝑚/𝑠
Expresando dicha magnitud en Notación Científica, quedaría:
0,4𝑘𝑚
𝑠= 4,0 × 10−1
𝐾𝑚𝑠
31 FISICA I
TRANSVERSAL
2.6.2 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Convertir 72 km/h a m/s
Las equivalencias que deben usarse, son las siguientes:
1km=103m y 1h=3600s 1 hora tiene 3600 segundos
Recuerde que inicialmente se parte del dato y la unidad que se desea cancelar se pone en el lado contrario, de la siguiente forma:
72 km
h∗1000 m
1 km∗
1h
3600s= 20
𝑚
𝑠
Expresando dicha magnitud en Notación Científica, quedaría:
20 𝑚
𝑠= 2,0 × 101
𝑚
𝑠 𝑜 2,0 × 10
𝑚
𝑠
2.6.3 EJERCICIOS DE ENTRENAMIENTO
Resuelva cada uno de los siguientes ejercicios teniendo como modelo los presentados en el desarrollo de la unidad, si se le presenta alguna duda consulte con sus compañeros de estudio y en caso de persistir la duda comuníquese con su respectivo tutor.
1. Realice las siguientes conversiones a las unidades indicadas, utilizando los factores del caso y
determinando la respuesta en Notación Científica:
a. Convertir 1240 Km a metros.
b. Convertir 4560 m a kilómetros.
c. Convertir 0,0780 cm a metros.
d. Convertir 947m a centímetros.
e. Convertir 3.567.432 cm a kilómetros.
f. Convertir 456,380 mm a centímetros.
g. 0,000380 𝒎
𝒔 a
𝑲𝒎
𝒔
h. 0,04680 𝑲𝒎
𝒔 a
𝒎
𝒔
i. 152.325 𝑫𝒎 a 𝑴𝒎
32 FISICA I
TRANSVERSAL
j. 0,003850 𝒄𝒎 𝑎 𝑴𝒎
2. Dibuje dos circunferencia en una cartulina de 8 cm de radio y toma otra cartulina en forma de rectángulo, cuyo Ancho sea de 10 cm y su largo equivalga a la longitud de la circunferencia que construiste. Observa que con esto puedes construir un cilindro que tiene de altura el ancho del rectángulo.
Ahora consulta a que es igual el volumen del cilindro y exprésalo en diferentes unidades, si tu Medida la hiciste en cm, expresa ese volumen en metros, kilómetros, decímetros. Expresa estas en notación científica. Presenta tu informe.
3. Consulta en un texto de física y dibuja algunos de los aparatos que se utilizan para medir magnitudes en la física, realiza una breve descripción de cada uno de ellos.
1. Realiza los siguientes ejercicios utilizando la Notación Científica:
1.1 Señala, colocando una X, en el recuadro de la derecha de la respuesta correcta:
1. Al escribir con notación científica el número 45.365,30 obtenemos:
a. 45,36530x104
b. 453,653x105 c. 4536,530x107 d.
4, 3653 x 104
2. Al escribir el número 0,254 en notación científica obtenemos:
a. 254x10-2
b. 25,4x10-1 c 2,54x10-2 d. 2,54x102
3. 8.000.000 en notación científica es:
a. 80 x 106
b. 80x107 c. 8 x 106 d. 8 x 107
4.2 Escriba en la notación científica las siguientes magnitudes:
33 FISICA I
TRANSVERSAL
1. O,0034 m
2. 2.235,67 km
3. 38,32 x 105 𝑚𝑙
4. 0,003 x 10−2 𝑐𝑚
5. 2.000.240 l
6. 0.000000000091 ml
7. 40000.0000003 dm
8. 0.00005 x 102 𝐻𝑔
9. 100.000001 x 103 𝑚𝑔
10. 8574,23456 x 10−2 𝑚𝑚
11. 69,90 x 105 𝑀𝑚
12. 104 𝑚𝑔
13. 1000 Hm
14. 10 kg
15. 10000 T
Nota: Para efectuar los siguientes ejercicios, debe realizar primero las operaciones indicadas (Recuerde las propiedades de la potenciación):
21. De las siguientes unidades una no es fundamental ¿Cuál es?
a. Longitud
b. Peso
c. Masa
d. tiempo
Problemas para pensar:
1. Un estudiante media 20 pulgadas de largo cuando nació. Ahora tiene 5 pies y 4 pulgadas y tiene 18 años
de edad. ¿Cuántos centímetros creció en promedio por año?
2. Un campo de futbol tiene 300 pies de largo y 160 pies de ancho. ¿Cuáles son las dimensiones del campo
en metros y las dimensiones del campo en centímetros cuadrados?
5 11
3 47
7
2
3
12
6
15
5
102,3.20104,6
69,119
1020
1040.18
1012
1014417
105
1025.16 x
xx
x
x
x
x
x
34 FISICA I
TRANSVERSAL
Actividad Práctica de medición, conversión y Notación Científica:
1. Tomando el metro como unidad patrón, mide el salón de clase y anota este valor, luego pasarlo a
unidades múltiplos del metro (Kilómetros, Decímetros, Hectómetros, millas. Lo mismo para los
submúltiplos del metro (milímetros, centímetros, decímetros, micras) Presenta tu informe tu informe de
actividad
2. Reúne tus compañeros de grupo y tómale la estatura a cada uno, luego saca un promedio de esas
medidas y denótala en diferentes unidades y en notación científica con tres unidades decimales.
Presenta tu informe de actividad.
3. Busca tres circunferencias de distintos tamaños, mídeles el radio y aplicando la fórmula de la longitud de
la circunferencia, encuéntrala y determina también su área en diferentes unidades y en notación
científica, luego colócalas sobre un papel cuadriculado y determina tanto su longitud como su área, para
compararlas con la encontrada en las formulas observa cuál es la más exacta y discútela con tus
compañeros de grupo. Presenta tu informe de actividad.
2.7 TEMA 6 RELACIONES FÍSICAS
En un experimento influyen muchos factores, estos factores son conocidos con el nombre de variables. A una variable cuyos valores dependen de los valores que toma otra variable se le llama variable dependiente.
Por ejemplo:
Se tienen las siguientes variables: cantidad de horas de ejercicio y calorías perdidas.
Las calorías perdidas dependen de la cantidad de horas de ejercicio, por lo tanto, en esta situación la variable dependiente son las calorías perdidas.
Generalmente, en un plano de ejes coordenados se destina el eje x para la variable independiente y el eje y para la variable dependiente.
35 FISICA I
TRANSVERSAL
Comportamiento lineal Comportamiento cuadrático
Tomado de: http://www.elotrolado.net/ Tomado de: http://www.granadaracingclub.com/
Proporcionalidad directa e inversa
Dos magnitudes son directamente proporcionales si la razón entre cada una de ellas y el respectivo valor de la otra es igual a una constante.
En proporcionalidad directa se entiende que al aumentar una de las variables, la otra también aumenta
y al disminuir una de las variables, la otra también disminuye.
En proporcionalidad inversa, al aumentar una de las variables, la otra disminuye y viceversa.
Tomado: http://www.winmates.net/ayuda/arbol/129rp_r3.php
36 FISICA I
TRANSVERSAL
2.7.1 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
La siguiente tabla muestra la distancia recorrida por un cuerpo en determinados instantes de tiempo.
t Tiempo (s) 0 3 6 9 12 15
x Distancia (m) 0 15 30 45 60 75
Construir la gráfica que relaciona las variables.
¿Qué tipo de proporcionalidad presentan las variables?
R/ Proporcionalidad directa.
¿Cuál es la constante de proporcionalidad?
R/ 3
15= 0.2
6
30= 0.2
9
45= 0.2
Determinar la expresión matemática de distancia en función del tiempo para este móvil.
Por ser una recta, la expresión es de la forma:
x= mt + b
Donde m es la pendiente y se halla teniendo en cuenta dos puntos de acuerdo a la fórmula:
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Dis
tan
cia
(m)
Tiempo (s)
37 FISICA I
TRANSVERSAL
𝐦 =y2 − y1
x2 − x1
Por facilidad se escoge el punto (0,0) y el punto (3, 15)
𝐦 =15 − 0
3 − 0= 5
b corresponde al intercepto con el eje y (el eje de las ordenadas) y se halla cuando t=0. En este caso b=0 y por lo tanto, la expresión es:
x= 5t
2.8 TEMA 7 MAGNITUDES FÍSICAS
De acuerdo a lo visto anteriormente, las magnitudes físicas se pueden clasificar en:
a. Magnitudes Escalares: Son aquellas que al asignarles un número y una unidad de medición, quedan bien
determinados, por ejemplo:
NÚMERO UNIDAD DE MEDICIÓN LECTURA
20 Km Veinte kilómetros
15 cm Quince centímetros
19 g Diecinueve gramos
25 l Veinticinco litros
100 c.c. Cien centímetros cúbicos
200 ml Doscientos mililitros
1000 T Mil toneladas
Magnitudes Vectoriales: Son aquellas que además s de asignarle un número y una unidad de medición, hay que asignarle una dirección y un sentido
38 FISICA I
TRANSVERSAL
Un vector, es una flecha dirigida (inclinada una cantidad de grados y orientada hacia el Norte, Sur, Este, Oeste) que posee un valor numérico y una unidad de medida
Tomado de: http://interactuandoconlafisica.jimdo.com/
Una de las tres características que tienen los vectores es que estos poseen magnitud. Es decir, cada uno representa un valor numérico que para este caso, corresponde a la cantidad de velocidad que tiene el viento y la cometa.
Características de los vectores
Magnitud: Es el valor numérico acompañado de la unidad de medida. Al dibujar un vector, éste se
realiza a escala de acuerdo a su magnitud, es decir, si deseamos representar dos velocidades: una de
40 km/h y otra de 60 km/h, los dibujaremos de 40 y 60 milímetros respectivamente.
39 FISICA I
TRANSVERSAL
Dirección: Es el ángulo de inclinación que presenta un vector respecto a una referencia.
Sentido: Se refiere hacia qué punto cardinal está orientado el vector.
40 FISICA I
TRANSVERSAL
Imágenes tomadas de: Tomado de: http://interactuandoconlafisica.jimdo.com/
Ubicando estas coordenadas cardinales en un plano cartesiano, se tiene que:
𝒚
�� ��
𝒙′ 𝒐 𝒙 ��
𝒗
𝒚′
41 FISICA I
TRANSVERSAL
Interpretación del sentido de un vector en el plano Cartesiano
(Ver Plano Cartesiano)
EJE GRÁFICAMENTE SENTIDO
𝒐𝒙 ⟶ 𝑬𝑺𝑻𝑬 (Oriente)
𝒐𝒙′ ⟵ 𝑶𝑬𝑺𝑻𝑬 (Occidente)
𝒐𝒚 ↑ 𝑵𝑶𝑹𝑻𝑬
𝒐𝒚′ ↓ 𝑺𝑼𝑹
PLANO GRÁFICAMENTE SENTIDO
𝒚𝒐𝒙
𝟎° < 𝜽 < 𝟗𝟎°
↗ 𝑵𝑬
𝑵𝑶𝑹𝑬𝑺𝑻𝑬
𝒚𝒐𝒙′
𝟗𝟎° < 𝜽 < 𝟏𝟖𝟎°
↖ 𝑵𝑶
𝑵𝑶𝑹𝑶𝑬𝑺𝑻𝑬
𝒙′𝒐𝒚′
𝟏𝟖𝟎° < 𝜽 < 𝟐𝟕𝟎°
↙ 𝑺𝑶
𝑺𝑼𝑹𝑶𝑬𝑺𝑻𝑬
𝒚′𝒐𝒙
𝟐𝟕𝟎° < 𝜽 < 𝟑𝟔𝟎°
↘ 𝑺𝑬
𝑺𝑼𝑹𝑬𝑺𝑻𝑬
NOTA 1: 𝜃 es el ángulo que forma el vector con el eje positivo de las 𝑥 en el plano cartesiano.
NOTA 2: Cuando se toma el ángulo sobre cada cuadrante se deben tener en cuenta los signos de las relaciones trigonométricas para cada uno de los cuadrantes (ver Trigonometría: signos de las relaciones trigonométricas en los cuatro cuadrantes del Plano Cartesiano).
Nota: En el estudio de la fuerzas, es indispensable el conocimiento sobre vectores. Las fuerzas son magnitudes vectoriales, debido a que tienen magnitud, dirección y sentido. No es lo mismo realizar una fuerza a la derecha que a la izquierda.
42 FISICA I
TRANSVERSAL
http://fisicaquimica-en-funcionamiento.blogspot.com/
Suma gráfica de vectores Libres
1 Se unen los vectores cola con cabeza o cabeza con cola.
2 El vector que resulta de sumar los dos vectores iniciales, es el que se ubica cerrando la figura (cola con cola y cabeza con cabeza)
2.8.1 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Dibujar los siguientes vectores en el plano.
43 FISICA I
TRANSVERSAL
Nombre del vector
Magnitud Dirección Sentido
A 8.0 50° Norte del Este
B 7.0 0° Este
C 4.3 60° Norte del oeste
D 7.8 70° Oeste del sur
Es importante tener en cuenta la interpretación del sentido de un vector. Por ejemplo, el vector A, tiene una magnitud de 8.0 y un ángulo de 50°, tomado en el sentido Norte del este, es decir, desde el este hacia el norte.
En otro caso, por ejemplo en el vector D, el ángulo de 70° a un sentido Oeste del sur, se toma desde el sur hacia el oeste. Es decir, podemos cambiar un “del” por “desde” y ese será el eje de referencia para ubicar el vector.
La solución (a escala) es la siguiente:
Tomado de: https://mathtic.wordpress.com/
Nota: Para aprovechar totalmente este esquema, se sumarán los vectores presentes en este plano cartesiano y se hallará el correspondiente Vector Resultante (Suma de vectores en el plano).
Para sumar vectores en el plano se establece el siguiente procedimiento:
Norte
Sur
Este Oeste
44 FISICA I
TRANSVERSAL
1. Se descompone cada vector en sus componentes rectangulares.
2. Se suman algebraicamente y por separado cada una de las componentes rectangulares.
3. Se halla la Magnitud del vector utilizando el Teorema de Pitágoras.
4. Se determina la Dirección del vector resultante utilizando la relación trigonométrica Tangente, con
las componentes halladas en la suma de las mismas.
5. Se halla el Sentido del vector resultante utilizando los signos de las sumas de las de las componentes
rectangulares.
6. Se grafica en el plano cartesiano el vector resultante.
Componentes Rectangulares de un vector en el Plano Cartesiano
Para determinar estas componentes, se procede de la siguiente forma:
�� = �� 𝒙 + �� 𝒚
𝒚
�� �� 𝒚
𝒙′ 𝒐 𝒙 �� 𝒙
𝒚′
Dónde:
�� 𝒙: 𝑬𝒔 𝒍𝒂 𝒄𝒐𝒎𝒑𝒐𝒏𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒆𝒏 𝒆𝒍 𝒆𝒋𝒆 𝒙
45 FISICA I
TRANSVERSAL
�� 𝒚: 𝑬𝒔 𝒍𝒂 𝒄𝒐𝒎𝒑𝒐𝒏𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒆𝒏 𝒆𝒍 𝒆𝒋𝒆 𝒚
Magnitud de un vector:
Está dada por el teorema de Pitágoras, de la siguiente forma:
|�� | = √�� 𝒙𝟐+ �� 𝒚
𝟐
Dirección de un vector:
Está determinada por la relación trigonométrica:
𝐭𝐚𝐧𝜽 =�� 𝒚
�� 𝒙
Pero como se necesita un ángulo, se dice entonces que:
𝜽 = 𝒕𝒂𝒏−𝟏�� 𝒚
�� 𝒙
Nota: Para realizar este cálculo debes utilizar la calculadora.
Sentido de un vector:
Para determinar el sentido se deben tener en cuenta los signos obtenidos al sumar las componentes rectangulares, especialmente los signos de las relaciones trigonométricas Seno y Coseno en los cuatro cuadrantes del plano cartesiano, así:
CUADRANTE I CUADRANTE II CUADRANTE III CUADRANTE IV
𝑆𝑒𝑛𝑜 𝜃 + + − −
46 FISICA I
TRANSVERSAL
𝐶𝑜𝑠𝑒𝑛𝑜 𝜃 + − − +
2.8.2 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Dados los siguientes vectores en el plano cartesiano y con magnitud:
𝑎 = 4 𝑢, �� = 2 𝑢, 𝑐 = 6𝑢 , 𝑑 = 3 𝑢
Tomado de: https://mathtic.wordpress.com/
Determinar la Magnitud, la Dirección y el Sentido del vector resultante de la suma de los mismos.
Procedimiento
1. Se descompone cada vector en sus componentes rectangulares:
VECTOR Componente en 𝒆𝒋𝒆 𝒙 Valor
componente 𝒆𝒋𝒆 𝒙
Componente en 𝒆𝒋𝒆 𝒚 Valor
componente
𝒆𝒋𝒆 𝒚
47 FISICA I
TRANSVERSAL
�� 𝐚𝐱 = 𝟒𝐮 𝐜𝐨𝐬𝟓𝟎° 𝟐, 𝟓𝟕 𝒂𝒚 = 𝟒𝒖 𝒔𝒆𝒏 𝟓𝟎° 𝟑, 𝟎𝟔
�� 𝐛𝐱 = 𝟐𝐮 𝐜𝐨𝐬𝟎° 𝟐 𝒃𝒚
= 𝟐𝒖 𝒔𝒆𝒏 𝟎° 𝟎
�� 𝐜𝐱 = −𝟔𝐮𝐜𝐨𝐬 𝟔𝟎° −𝟑 𝒄𝒚 = 𝟔𝒖 𝐬𝐞𝐧𝟔𝟎° 𝟓, 𝟏𝟗
�� 𝐝𝐱 = −𝟑𝐮𝐜𝐨𝐬 𝟐𝟎° −𝟐, 𝟖𝟐 𝒅𝒚
= −𝟑𝒖 𝒔𝒆𝒏 𝟐𝟎° −𝟏, 𝟎𝟐
∑𝑅𝑥 = − 𝟏. 𝟐𝟓 ∑𝑅𝑦 = 𝟕, 𝟐𝟑
Nota: En el vector d, se tomó el ángulo de 𝟐𝟎° ya que el ángulo se debe formar con el eje x, por lo tanto 𝟗𝟎° −
𝟕𝟎° = 𝟐𝟎°, que corresponde al ángulo complementario.
2. Se calcula la Magnitud del vector resultante ®, utilizando el teorema de Pitágoras:
|�� | = √�� 𝒙𝟐+ �� 𝒚
𝟐
Reemplazando los valores obtenidos, se tiene que:
|�� | = √(−𝟏, 𝟐𝟓 𝒖)𝟐 + (𝟕, 𝟐𝟑𝒖)𝟐 = √𝟏, 𝟓𝟔𝟐𝟓𝒖𝟐 + 𝟓𝟐, 𝟐𝟕𝟐𝟗𝒖𝟐
|�� | = √𝟓𝟑, 𝟖𝟑𝟓𝟒 𝒖𝟐 → |�� | = 𝟕, 𝟑𝟒 𝒖
3. Se determina la Dirección del Vector Resultante utilizando la relación trigonométrica Tangente, ésta está
definida como:
𝐭𝐚𝐧𝜽 =�� 𝒚
�� 𝒙→ 𝒕𝒂𝒏 𝜽 =
𝟕, 𝟐𝟑
𝟏, 𝟐𝟓→ 𝒕𝒂𝒏 𝜽 = 𝟓, 𝟕𝟖
Nota: El signo menos de �� 𝑥 no es necesario tenerlo en cuenta para calcular la Dirección, por lo tanto se toma su valor absoluto.
48 FISICA I
TRANSVERSAL
Pero se sabe que:
𝜽 = 𝒕𝒂𝒏−𝟏 �� 𝒚
�� 𝒙→ 𝜽 = 𝒕𝒂𝒏−𝟏(𝟓, 𝟕𝟖) → 𝜽 = 𝟖𝟎, 𝟏𝟖𝟒𝟒𝟎𝟏𝟏𝟐 →
𝜽 = 𝟖𝟎° 𝟏𝟏′ 𝟑, 𝟖𝟒′′
Nota: Para obtener este resultado en la calculadora se procede de la siguiente forma:
𝒔𝒉𝒊𝒇𝒕 𝒕𝒂𝒏−𝟏 (𝟕,𝟐𝟑
𝟏,𝟐𝟓) = 𝟖𝟎, 𝟏𝟖𝟒𝟒𝟎𝟏𝟏𝟐 Se oprime la tecla 0999
(Correspondiente a Grados, minutos y segundos) y se obtiene el ángulo:
𝜽 = 𝟖𝟎° 𝟏𝟏′ 𝟑, 𝟖𝟒′′
4. Se determina el Sentido del Vector Resultante
Para ello se utilizan los signos de:
�� 𝒙 = −𝟏, 𝟐𝟓 𝒖
�� 𝒚 = +𝟕, 𝟐𝟑 𝒖
Esto quiere decir que está a la izquierda del origen en el eje x y hacia arriba en el eje y, gráficamente:
𝒚
�� 𝒚 = 𝟕, 𝟐𝟑𝒖 ��
𝜽
𝒙′ 𝒙
�� 𝒙 = −𝟏, 𝟐𝟓𝒖 𝒚′
El Sentido está determinado por los signos:
𝒙:− (𝒄𝒐𝒔𝒆𝒏𝒐, 𝒆𝒋𝒆 𝒙); 𝒚: + (𝒔𝒆𝒏𝒐, 𝒆𝒋𝒆 𝒚)
49 FISICA I
TRANSVERSAL
Que corresponden al II cuadrante del plano cartesiano, por lo tanto el sentido de este vector es NOROESTE (NO). (Ver plano de coordenadas Cartesianas).
Se obtuvo como Resultante un vector que tiene las siguientes características:
Magnitud: |�� | = 𝟕, 𝟑𝟒 𝒖
Dirección: 𝜽 = 𝟖𝟎° 𝟏𝟏′ 𝟑, 𝟖𝟒′′
Sentido: NOROESTE (NO).
Este Vector Resultante se escribe de la siguiente forma:
�� = 𝟕, 𝟑𝟒 𝒖, 𝟖𝟎° 𝟏𝟏
′ 𝟑, 𝟖𝟒
′′, 𝑵𝑶𝑹𝑶𝑬𝑺𝑻𝑬 (𝑵𝑶)
Magnitud, Dirección, Sentid
Tres de estas partículas fundamentales son importantes por su presencia en muchos fenómenos comunes:
Electrones, Protones, y Neutrones.
Estas partículas están presentes en grupos bien definidos llamados Átomos, con los protones y neutrones situados en una región central muy pequeña llamada Núcleo.
Tenga presente que: Nota: Dada
- Gravedad (g);
- Cohesión©=fuerza de amarre;
- Repulsión®: fuerza de separación:
50 FISICA I
TRANSVERSAL
La relación que se da entre los diferentes estados de la materia y estos conceptos, está dada de la siguiente forma:
d. En el Estado Sólido: 𝑪 > 𝒈 > 𝒓
e. En el Estado Líquido:𝒈 > 𝑪 > 𝒓
En el Estado Gaseoso: 𝒈 > 𝒓 > 𝑪
Recuerde que: En la Notación Científica:
Nota 1: Cuando la coma se desplaza hacia la izquierda, para obtener el número entero de una sola cifra diferente
de cero, se debe multiplicar por una potencia de diez Positiva.
Nota 2: Cuando la coma se desplaza hacia la derecha, para obtener el número entero de una sola cifra diferente
de cero, se debe multiplicar por una potencia de diez Negativa.
Recuerde que: Se entiende por redondear un número, reducir el número de cifras del mismo,
consiguiendo un valor parecido, pero que se nos haga más fácil de utilizar en los procesos a desarrollar.
Recuerde que: Dos magnitudes son directamente proporcionales si la razón entre cada una de ellas y el
respectivo valor de la otra es igual a una constante.
En proporcionalidad directa se entiende que al aumentar una de las variables, la otra también aumenta
y al disminuir una de las variables, la otra también disminuye.
En proporcionalidad inversa, al aumentar una de las variables, la otra disminuye y viceversa.
Tenga presente que:
Magnitudes Escalares: Son aquellas que al asignarles un número y una unidad de medición, quedan bien
determinados.
Magnitudes Vectoriales: Son aquellas que además de asignarle un número y una unidad de medición, hay que
asignarle una dirección y un sentido.
51 FISICA I
TRANSVERSAL
Un vector, es una flecha dirigida (inclinada una cantidad de grados y orientada hacia el Norte, Sur, Este, Oeste) que posee un valor numérico y una unidad de medida.
Recuerde que:
Para sumar vectores en el plano se establece el siguiente procedimiento:
1. Se descompone cada vector en sus componentes rectangulares.
2. Se suman algebraicamente y por separado cada una de las componentes
rectangulares.
3. Se halla la Magnitud del vector utilizando el Teorema de Pitágoras.
4. Se determina la Dirección del vector resultante utilizando la relación trigonométrica
Tangente, con las componentes halladas en la suma de las mismas.
5. Se halla el Sentido del vector resultante utilizando los signos de las sumas de las de
las componentes rectangulares.
6. Se grafica en el plano cartesiano el vector resultante.
2.8.3 EJERCICIOS DE ENTRENAMIENTO
1. Completar el cuadro con la magnitud, la unidad indicada con el valor, notación científica y
prefijo correcto.
Magnitud Valor Notación científica Prefijo
0,000005 m
8.25Mg
3500000 s
52 FISICA I
TRANSVERSAL
0,0023 A
1.2 mm
2. Suponga que en un experimento, usted midió los diámetros (cm) y perímetros (cm) de
varias circunferencias y obtuvo los siguientes resultados:
Diámetro(cm) 4 8 10 12 16
Perímetro (cm) 12.6 25.1 31.4 37.7 50.2
A. Realice una gráfica que relacione estas dos variables.
B. ¿Cuál de las dos es la variable dependiente? ¿Por qué?
C. ¿Qué relación hay entre las variables?
D. ¿Cuál es la expresión matemática que relaciona las variables?
3. ¿Cómo medirías el volumen de una figura irregular? Diseña un método.
4. ¿Cuál es la importancia de la matemática para abordar situaciones propias de la física?
5. Explique cuál de las siguientes magnitudes representa un mayor tiempo y por qué:
a. 70000 ms b. 1 minuto c. 34000 ns d. 0,0001 s
6. ¿En qué caso la suma de dos vectores es igual a cero?
7. A continuación se da una lista de las magnitudes físicas fundamentales, usted debe colocar en el paréntesis la unidad en el Sistema Internacional (SI) que corresponda.
1. Intensidad de corriente
eléctrica
2. Tiempo
3. Masa
4. Temperatura
5. Cantidad de sustancia
6. Longitud
7. Intensidad luminosa
( ) kg
( ) ºC
( ) cd
( ) slug
( ) m
( ) K
( ) A
( ) h
( ) s
( ) g
53 FISICA I
TRANSVERSAL
( ) mol
8. ¿Cuál de las siguientes magnitudes no es una magnitud física?
a. Cantidad de sustancia.
b. Longitud.
c. Intensidad de dolor.
d. Energía.
9. El radio promedio de la Luna es 1.740.000m, esto son:
a. 1.74 Mm
b. 1.74 μm
c. 174 Mm
d. 174 km
54 FISICA I
TRANSVERSAL
10. ¿Cuál de estas cantidades representa un mayor tiempo?
a. 55000 ms
b. 1 minuto
c. 4 s
d. 3.5 ns
11. Un transbordador espacial alcanza velocidades hasta de 1.1 * 104 km/h. ¿Cuántos metros recorre en una
hora?
a. 1.1 * 103 m
b. 1.1* 105 m
c. 1.1 * 107 m
d. 110 m
El radio promedio de la Tierra es de 6370 km, este valor no es
|igual a:
a. 6.37 * 106 m
b. 6.37 * 108 cm
c. 6.37 * 105 dm
d. 6.37 * 103 km
12. Un barco sigue el siguiente recorrido, representado por vectores:
A: 4.5 cm al norte
B: 3.0 cm al norte del este, 30º
C: 4.0 cm al este del sur, 20º
D: 2.5 cm al oeste
Realice la suma gráfica de estos vectores y encuentre la magnitud, la dirección y el sentido del vector desplazamiento resultante.
14. Dados los siguientes vectores, representarlos en el plano cartesiano y hallar el vector resultante de la suma de los mismos, determinando Magnitud, Dirección y sentido del mismo, realizando la representación del mismo en el plano cartesiano:
�� = 𝟕 𝒖, 𝟔𝟎° , 𝑵𝑶𝑹𝑬𝑺𝑻𝑬 (𝑵𝑬)
55 FISICA I
TRANSVERSAL
�� = 𝟑 𝒖, 𝟑𝟎° , 𝑺𝑼𝑹𝑶𝑬𝑺𝑻𝑬 (𝑺𝑶)
�� = 𝟓 𝒖, 𝟒𝟓° , 𝑵𝑶𝑹𝑶𝑬𝑺𝑻𝑬 (𝑵𝑶)
�� = 𝟏 𝒖, 𝟕𝟓° , 𝑵𝑶𝑹𝑻𝑬 (𝑵)
�� = 𝟑 𝒖, 𝟖𝟎° 𝟏𝟏′ 𝟑, 𝟖𝟒′′, 𝑵𝑶𝑹𝑬𝑺𝑻𝑬 (𝑺𝑬)
2.8.4 PRÁCTICA DE LABORATORIO
Título de la práctica: Análisis de un experimento.
Nombre de los experimentadores:
1. _________________________________________________________
2. _________________________________________________________
3. _________________________________________________________
4. _________________________________________________________
RESUMEN. Debe dar una idea clara de los objetivos, metodología y resultados obtenidos. Tenga en cuenta que del resumen el lector debe formarse una idea global del trabajo.
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_______________________________________
Palabras clave. Escriba un renglón de palabras clave, anotando ciertas palabras que identifiquen conceptos sustantivos contenidos y estudiados en la práctica.
56 FISICA I
TRANSVERSAL
_______________________________________________________________
MODELO TEÓRICO. Defina los conceptos relacionados con la práctica de estudio, puede
anexar gráficos, ecuaciones e ilustraciones si lo considera necesario.
Magnitudes proporcionales:
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
____________________________________________________
Variables dependientes e independientes
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
________________________________________________________________
Relación y función
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
________________________________________________________________
MÉTODO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS. Aquí el(los) autor(es) debe presentar una breve
descripción de los equipos usados, de los montajes realizados y de los métodos
57 FISICA I
TRANSVERSAL
experimentales utilizados en sus procesos de medida. Así mismo, explicar el procedimiento
detallado.
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
_________________
RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.
TABLA DE REGISTRO. Escriba los datos, según la información recolectada en la práctica.
d
h
20cm 15cm 10cm 5cm
Botella 1
Botella 2
Botella 3
Para el análisis de resultados, responda las siguientes preguntas:
58 FISICA I
TRANSVERSAL
Identifique las variables independientes y dependientes del experimento.
Independientes Dependientes
Realice en papel milimetrado las gráficas correspondientes a cada botella y explique la relación entre las
variables identificadas.
Si algún caso existe relación de proporcionalidad, encuentra el valor de la constante.
¿Qué otra información adicional pueden concluir a partir de la tabla y las gráficas?
59 FISICA I
TRANSVERSAL
3 UNIDAD 2 CINEMÁTICA
El Movimiento - La Cinematica - Fisica Enlace
3.1.1 RELACIÓN DE CONCEPTOS
Cinemática: Es la rama de la Física que describe el movimiento de los cuerpos (no analiza las causas que lo producen).
60 FISICA I
TRANSVERSAL
Trayectoria: En cinemática, trayectoria es el lugar geométrico de las posiciones sucesivas por las que pasa un cuerpo en su movimiento. La trayectoria depende del sistema de referencia en el que se describa el movimiento; es decir el punto de vista del observador.
Movimiento: En mecánica, el movimiento es un cambio de la posición de un cuerpo a lo largo del tiempo respecto de un sistema de referencia.
Desplazamiento: Desplazamiento, en física es el cambio de posición de un cuerpo entre dos instantes o
tiempos bien definidos.
Distancia: En física, la distancia es una magnitud escalar, que se expresa en unidades de longitud.
Velocidad: La velocidad es una magnitud física de carácter vectorial que expresa el desplazamiento de un objeto
por unidad de tiempo. Se representa por o . Sus dimensiones son [L]/[T].1 2 Su unidad en el Sistema Internacional es el metro por segundo (símbolo m/s).
Aceleración: En física, la aceleración es una magnitud vectorial que nos indica el cambio de velocidad por unidad
de tiempo. En el contexto de la mecánica vectorial newtoniana se representa normalmente por o y
su módulo por . Sus dimensiones son . Su unidad en el Sistema Internacional es el m/s2.
Gravedad: La gravedad es una de las cuatro interacciones fundamentales. Origina la aceleración que experimenta un cuerpo físico en las cercanías de un objeto astronómico. También se denomina interacción gravitatoria o gravitación.
Movimiento Rectilíneo Uniforme: Un movimiento es rectilíneo cuando un móvil describe una trayectoria recta, y es uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, dado que su aceleración es nula. Es indicado mediante el acrónimo MRU.
Movimiento Rectilíneo Uniformemente variado: El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA), también conocido como movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV), es aquel en el que un móvil se desplaza sobre una trayectoria recta estando sometido a una aceleración constante.
Caída Libre: En física, se denomina caída libre al movimiento de un cuerpo bajo la acción exclusiva de un campo gravitatorio. Esta definición formal excluye a todas las caídas reales influenciadas en mayor o menor medida por la resistencia aerodinámica del aire, así como a cualquier otra que tenga lugar en el seno de un fluido; sin embargo, es frecuente también referirse coloquialmente a éstas como caídas libres, aunque los efectos de la viscosidad del medio no sean por lo general despreciables.
Movimiento circular: En cinemática, el movimiento circular (también llamado movimiento circunferencial) es el que se basa en un eje de giro y radio constante, por lo cual la trayectoria es una circunferencia. Si además, la velocidad de giro es constante (giro ondulatorio), se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio y centro fijos y velocidad angular constante.
*Las definiciones anteriores fueron tomadas de:
Wikipedia, la enciclopedia libre
61 FISICA I
TRANSVERSAL
Movimiento en el plano: Es un movimiento cuya trayectoria se desarrolla a lo largo de una línea contenida en un plano.
Dado que un punto en el plano esta individuado por dos coordenadas, es posible estudiar este movimiento como la superposición de dos movimientos rectilíneos, uno a lo largo del eje x, otro a lo largo del eje y.
Por esta razón se le llama movimiento en dos direcciones.
Tomado de: FISICA: Movimientos del plano http://gn50csacmuc.blogspot.com.co/
HECHOS DE LA FÍSICA
El avión a reacción y sin tripulación X-43ª de la NASA es capaz de volar con una rapidez de 7700 km/h (4800 mi/h), más rápido que una bala disparada.
Tomado de: http://static.hsw.com.br/gif/hypersonic-plane.jpg
Las señales eléctricas entre el cerebro humano y los músculos viajan a aproximadamente a 435 km/h.
62 FISICA I
TRANSVERSAL
HECHOS DE LA FÍSICA
El avión a reacción y sin tripulación X-43ª de la NASA es capaz de volar con una rapidez de 7700 km/h (4800 mi/h), más rápido que una bala disparada.
Tomado de: http://www.eluniverso.org.es/
3.2 TEMA 1 CONCEPTOS BÁSICOS DE CINEMÁTICA
La rama de la física que se ocupa del estudio del movimiento, lo que lo produce y lo afecta se llama mecánica. La mecánica a su vez se divide en cinemática y dinámica.
Cinemática: Es la rama de la mecánica que estudia las características del movimiento pero no las causas que lo originan.
Dinámica: Es la rama de la mecánica analiza las causas que producen el movimiento.
Conceptos fundamentales de la cinemática
Concepto Característica
Distancia
Se refiere a la longitud total de un trayecto recorrido al existir movimiento. La distancia es una magnitud escalar, por lo que su signo siempre será positivo.
Es la relación de la longitud recorrida respecto al tiempo. Es decir, relaciona cuánto recorre un móvil en una unidad de
63 FISICA I
TRANSVERSAL
Rapidez
tiempo. La rapidez es una magnitud escalar y al vector se le conoce como velocidad. Es decir, la velocidad también relaciona la longitud y el tiempo pero también tiene signo e implica una dirección y un sentido. La unidad de velocidad en
el sistema internacional es m/s (𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏𝒅𝒐⁄ ).
Nota: Se distinguen dos tipos de rapidez: rapidez media y rapidez instantánea:
Rapidez media
(𝐕 )
Es una descripción general del movimiento en cierto intervalo de tiempo. Se puede calcular así:
𝐫𝐚𝐩𝐢𝐝𝐞𝐳 𝐦𝐞𝐝𝐢𝐚 =distancia recorrida
tiempo total para recorrerla
�� =𝐝
𝐭𝟐 − 𝒕𝟏
Rapidez instantánea
(𝑽)
Indica qué tan rápido se está moviendo un cuerpo en un instante de tiempo dado.
Por ejemplo, la medida del velocímetro utilizado por las autoridades de tránsito son ejemplo de medida de rapidez instantánea, pues no requieren un promedio de su rapidez en diferentes espacios de recorrido (rapidez media) sino en ese instante dado deben conocer cuál es el valor de su rapidez.
Tomado de: http://www.lanueva.com/
64 FISICA I
TRANSVERSAL
Desplazamiento
Indica la diferencia vectorial que existe entre el punto final y el punto inicial de un recorrido. A diferencia de la distancia, el desplazamiento puede ser negativo, pues es un vector, donde:
∆𝒙= 𝒙𝒇 − 𝒙𝒊 (Posición final −Posición inicial)
Tomado de: http://www.cneq.unam.mx/
Trayectoria Hace referencia a la forma del movimiento. Esta puede ser rectilínea, curvilínea, circular, parabólica, elíptica, entre otros.
http://fisicacinematicadinamica.blogspot.com/
65 FISICA I
TRANSVERSAL
3.3 TEMA 2 MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME
Este tipo de movimiento es el más simple que se estudia en cinemática, pero a su vez, es de gran importancia. Partimos del nombre para analizar algunas de sus características:
CONCEPTO CARACTERÍSTICA
Movimiento Existe un cambio de posición respecto a un sistema de referencia que se escoge.
Rectilíneo La trayectoria de este movimiento es en línea recta.
Uniforme La velocidad es constante (no varía) y por lo tanto, la aceleración es nula (0 m/s2).
Ecuaciones del movimiento
A continuación se determinarán las ecuaciones utilizadas en el Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU), las cuales están dadas por su definición que establece una relación directamente proporcional entre la distancia recorrida (d) y el tiempo utilizado (t), esto es:
𝒅 𝜶 𝒕 Que se lee: “Distancia directamente proporcional al tiempo”.
(Recuerde los conceptos de proporcionalidad definidos en la unidad anterior).
Para convertir esta proporción en una igualdad se debe multiplicar uno de los miembros de la proporcionalidad por una constante, en este caso, la constante está definida por la velocidad (recuerde la definición: La velocidad es constante (no varía) y por lo tanto, la aceleración es nula
(0 m/s2), por lo tanto:
𝒅 𝜶 𝒕 → 𝒅 = 𝒗 ∗ 𝒕 (𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂𝒓 𝒍𝒂 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒓𝒆𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒅𝒂)
De lo anterior, despejando cada una de las variables, también se puede inferir que:
MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME
66 FISICA I
TRANSVERSAL
𝒗 =𝒅
𝒕 (𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂𝒓 𝒍𝒂 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅)
𝒕 =𝒅
𝒗 (𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂𝒓 𝒆𝒍 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐)
MAGNITUD TIPO DE MAGNITUD UNIDADES EN EL SISTEMA
INTERNACIONAL (SI)
𝑫𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂: 𝒅 = 𝒗 ∗ 𝒕 Magnitud Escalar 𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔
𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅: 𝒗 =𝒅
𝒕
Magnitud Vectorial 𝒎
𝒔 (
𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔
𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏𝒅𝒐𝒔)
𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐: 𝒕 =𝒅
𝒗
Magnitud Escalar 𝒔 (𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏𝒅𝒐𝒔)
3.3.1 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Un mensajero debe entregar una pizza a doña Ana en 30 minutos, de lo contrario el pedido es gratis. Cuando sale de la empresa para iniciar el recorrido el mensajero tiene una velocidad de 30km/h constante, durante los primeros 15 minutos. Si de donde él parte con esta velocidad, a la casa de doña Ana hay 16 km y no se detiene durante el recorrido: ¿cuál es la velocidad mínima que debe mantener el mensajero para llegar a tiempo y que la pizza no le salga gratis a doña Ana?
16 km (Entre la pizzería y doña Ana)
Paso 1: Identificar los datos del problema.
Se conoce que en un tiempo de 15 minutos, el mensajero mantuvo una velocidad constante de
30km/h. Con estos datos, podemos hallar la distancia que ha recorrido en ese tiempo, utilizando la
fórmula:
𝒅 = 𝒗 ∗ 𝒕
67 FISICA I
TRANSVERSAL
Cuando se conozca el valor de la distancia que ha recorrido, se sabrá cuánta distancia y cuánto tiempo
falta. Con estos datos, se calcula la velocidad mínima que debe mantener.
Paso 2: Se homologan unidades, esto es se expresan las unidades en un mismo sistema de medición, utilizando los factores de conversión.
Datos Velocidad: 30 km/h
Tiempo recorrido: 15 minutos
Distancia total: 9 km
Tiempo total: 30 minutos
Nota: Como la distancia está dada en km y la velocidad en km/h, se deben pasar los tiempos a horas (h) como se realizó en la Unidad No. 1:
𝟏𝟓 𝒎𝒊𝒏𝒖𝒕𝒐𝒔 ∗𝟏 𝒉𝒐𝒓𝒂
𝟔𝟎 𝒎𝒊𝒏𝒖𝒕𝒐𝒔= 𝟎. 𝟐𝟓 𝒉
Paso 3: Se realizan los cálculos correspondientes:
Se calcula la distancia que ha recorrido el mensajero, los primeros 15 minutos (0.25 h), utilizando la fórmula:
𝒅 = 𝒗 ∗ 𝒕
Reemplazando los valores correspondientes, se tiene que:
𝐝 = (𝟑𝟎𝐤𝐦
𝐡) ∗ (𝟎. 𝟐𝟓𝐡) = 𝟕. 𝟓𝐤𝐦
Por lo tanto en los primeros 15 minutos ha recorrido una distancia de 7.5km, es decir, en los otros 15 minutos restantes, el mensajero deberá recorrer la distancia:
𝐝𝐟 = 𝟏𝟔𝐊𝐦 − 𝟕. 𝟓𝐊𝐦 = 𝟖. 𝟓𝐤𝐦, ¿Con qué velocidad?
Utilizando la fórmula:
𝒗 =𝒅
𝒕
Reemplazando se tiene que:
𝐯 =𝐝
𝐭=
𝟖.𝟓 𝐤𝐦
𝟎.𝟐𝟓 𝐡= 𝟑𝟒𝐤𝐦/𝐡
Por lo tanto, el mensajero deberá acelerar hasta alcanzar una velocidad constante de 34km/h, suponiendo que no se detuvo en ningún momento del recorrido, para entregar la pizza y cobrarla a doña Ana.
68 FISICA I
TRANSVERSAL
Gráficas de movimiento en el MRU
Generalmente, se realizan descripciones del movimiento mediante gráficas que explican las características, de posición, velocidad y aceleración respecto al tiempo. Recuerde que para el MRU la velocidad no cambia y la aceleración es cero, por lo que cobra mayor importancia analizar las gráficas de posición (x) respecto al tiempo (t), esto es:
𝐈𝐥𝐮𝐬𝐭𝐫𝐚𝐜𝐢ó𝐧 1: 𝒙 𝒗𝒔. 𝒕 (𝒆𝒔𝒑𝒂𝒄𝒊𝒐 𝒄𝒐𝒏𝒕𝒓𝒂 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐)
𝐈𝐥𝐮𝐬𝐭𝐫𝐚𝐜𝐢ó𝐧 2: 𝒗 𝒗𝒔. 𝒕 (𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒄𝒐𝒏𝒕𝒓𝒂 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐)
𝐈𝐥𝐮𝐬𝐭𝐫𝐚𝐜𝐢ó𝐧 3: 𝐚 𝒗𝒔. 𝒕 (𝒂𝒄𝒆𝒍𝒆𝒓𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒄𝒐𝒏𝒕𝒓𝒂 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐)
Ilustración 2 Ilustración 3 Ilustración 4
Tomado de: http://www.fismec.com/
El siguiente ejercicio de aprendizaje, da una idea del análisis gráfico que se da en cinemática:
3.3.2 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Para la siguiente gráfica de 𝑷𝒐𝒔𝒊𝒄𝒊ó𝒏 (𝒙) respecto al 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 (𝒕):
Hallar la velocidad en cada tramo, especificando si el auto se detiene, avanza o retrocede.
Calcular la distancia recorrida.
Calcular el desplazamiento del móvil.
69 FISICA I
TRANSVERSAL
Tomado de: http://www.monografias.com/
Paso 1: Se identifican los tramos del movimiento.
Se distinguen tres tramos.
El primero va desde 𝟎 𝒔 𝒂 𝟑𝒔,
El segundo de 𝟑 𝒔 𝒂 𝟓𝒔,
El tercero 𝟓 𝒔 𝒂 𝟏𝟎𝒔.
Paso 2: Se hallan las velocidades de cada tramo, según el enunciado del ejercicio:
Procedimiento
Para hallar estas velocidades se utiliza la siguiente fórmula:
𝒗 =𝑿𝒇 − 𝑿𝒊
𝒕𝒇 − 𝒕𝒊=
𝑷𝒐𝒔𝒊𝒄𝒊ó𝒏𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 − 𝑷𝒐𝒔𝒊𝒄𝒊ó𝒏 𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍
𝑫𝒊𝒇𝒆𝒓𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐𝒔
Tramo 1:
𝒗 = 𝟔𝒎−𝟎𝒎
𝟑𝒔−𝟎𝒔=
𝟔𝒎
𝟑𝒔= 𝟐𝒎/𝒔
(Velocidad positiva: el auto avanza)
ramo2:
𝑣 = 6𝑚−6𝑚
5𝑠−3𝑠=
0𝑚
2𝑠= 0𝑚/𝑠
(Velocidad nula: el cuerpo conserva su posición, es decir, no se mueve durante estos 2 segundos)
70 FISICA I
TRANSVERSAL
Tramo 3:
𝑣 = −4𝑚−6𝑚
10𝑠−5𝑠=
−10𝑚
5𝑠= −2𝑚/𝑠
(Velocidad negativa: el auto retrocede)
Paso 3: Se Halla la distancia recorrida.
Procedimiento:
Se toma la distancia recorrida en cada tramo y se suman.
Recuerde que: la distancia es una magnitud escalar, por lo que es positiva.
Tramo 1: Recorrió 6m.
Tramo 2: No recorrió distancia, el auto permaneció quieto durante 2 segundos (no hubo cambio de
posición)= o m
Tramo 3: Recorrió 10m.
Distancia total = 6m + 0m + 10m = 16m
Paso 4: Se halla el desplazamiento.
Procedimiento
Para hallar el desplazamiento se ubica el punto inicial y el punto final del movimiento. En nuestro caso, para estos puntos las posiciones son:
Posición inicial: 𝑷𝒊 = 𝟎 𝒎
Posición final: 𝑷𝒇 = −𝟒 𝒎
Por lo tanto, el desplazamiento denotado por ∆𝒙 es igual a:
∆𝑥 = 𝑃𝑓 − 𝑃𝑖 = −4𝑚 − 0𝑚 = −4𝑚
71 FISICA I
TRANSVERSAL
3.4 TEMA 3 MOVIMIENTO UNIFORMEMENTE ACELERADO (MUA)
Para entrar a analizar este movimiento se definirá un concepto que permitirá claridad total frente a este movimiento, el concepto en mención es la Aceleración.
Concepto de aceleración
Aceleración: La aceleración es un concepto que describe cambios de velocidad. Mide la variación de la velocidad en el tiempo, está dado en las siguientes unidades m/s2 (Variación de la velocidad cada segundo)
𝐚𝐜𝐞𝐥𝐞𝐫𝐚𝐜𝐢ó𝐧 =𝐜𝐚𝐦𝐛𝐢𝐨 𝐝𝐞 𝐯𝐞𝐥𝐨𝐜𝐢𝐝𝐚𝐝 (
𝐦𝐬)
𝐭𝐢𝐞𝐦𝐩𝐨 (𝐬)
𝐚 =∆𝐯
∆𝐭(𝒎
𝒔𝟐⁄ )
Nota: recuerde que el símbolo ∆ (𝐃𝐞𝐥𝐭𝐚) indica cambio o variación.
Signos de la aceleración
ACELERACIÓN CARACTERÍSTICA
Positiva (+) La velocidad aumenta
Negativa (-) La velocida disminuye
Unidades de la aceleración
Dado que:
[𝒂] = (∆𝒗
∆𝒕) =
[𝑳][𝑻]
[𝑻]=
[𝑳]
[𝑻𝟐](
[𝑼𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝒍𝒐𝒏𝒈𝒊𝒕𝒖𝒅]
[𝑼𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒂𝒍 𝒄𝒖𝒂𝒅𝒓𝒂𝒅𝒐)]
Por lo tanto las unidades de la aceleración son:
SISTEMA UNIDADES
Sistema Internacional 𝒎
𝒔𝟐
Sistema Cegesimal 𝒄𝒎
𝒔𝟐
Dirección de la aceleración
72 FISICA I
TRANSVERSAL
Como la aceleración es una magnitud vectorial, siempre tendrá asociada una dirección; esta dirección depende de dos cosas:
De que la rapidez esté aumentando o disminuyendo.
De que el cuerpo se mueva en la dirección + 𝒐 −
Entonces, si un móvil está disminuyendo su rapidez (está frenando), su aceleración va en el sentido contrario al movimiento.
Si un móvil aumenta su rapidez, la aceleración tiene el mismo sentido que la velocidad.
Gráficamente se podría ilustrar de la siguiente forma:
Velocidad Velocidad
Aceleración Aceleración
Velocidad Velocidad
Aceleración Aceleración
En general:
Si la velocidad y la aceleración van en el mismo sentido (Ambas son positivas o ambas son negativas) el móvil aumenta su rapidez.
Si la velocidad y la aceleración van en sentidos contrarios (tienen signos opuestos) el móvil disminuye su rapidez.
Nota: Es importante indicar que los signos + 𝒐 − lo único que señalan es el sentido o de la velocidad o de la aceleración, por lo tanto es más indicado hablar de:
Aceleración: Cuando el móvil gana velocidad (pasa de una velocidad menor a una mayor, esto es: 𝒗𝒇 > 𝒗𝒊.
Desaceleración: Cuando el móvil pierde velocidad (pasa de una velocidad mayor a una menor, esto es: 𝒗𝒊 >𝒗𝒇.
Ecuaciones del MUA (Movimiento Uniformemente Acelerado)
Para la aceleración
73 FISICA I
TRANSVERSAL
Se conoce que la aceleración es el cambio de la velocidad en la unidad de tiempo y está dada por:
𝐚 =∆𝐯
∆𝐭
Pero:
∆𝐯 = 𝒗𝒇 − 𝒗𝒊
∆𝐭 = 𝒕𝒇 − 𝒕𝒊
Reemplazando, se tiene:
𝐚 =∆𝐯
∆𝐭=
𝒗𝒇 − 𝒗𝒊
𝒕𝒇 − 𝒕𝒊→ 𝒂 =
𝒗𝒇 − 𝒗𝒊
𝒕𝒇 − 𝒕𝒊
Dónde:
𝒗𝒊 = 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 𝒅𝒆𝒍 𝒎𝒐𝒗𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐
𝒗𝒇 = 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 𝒅𝒆𝒍 𝒎𝒐𝒗𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐
Haciendo: 𝒕𝒊 = 𝟎 y 𝒕𝒇: 𝒕𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒆𝒍 𝒓𝒆𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒅𝒐
Se tiene que:
𝒂 =𝒗𝒇 − 𝒗𝒊
𝒕(𝟏)
Despejando 𝒗𝒇:
𝒗𝒇 − 𝒗𝒊 = 𝒂𝒕 → 𝒗𝒇 = 𝒗𝒊 + 𝒂𝒕 (𝟐)
Conociendo el valor de la aceleración(𝒂) y la velocidad inicial (𝒗𝒊) es posible calcular la velocidad final (𝒗𝒇) para
un determinado tiempo 𝒕.
Teniendo la velocidad inicial (𝒗𝒊) con la que parte en cuerpo y el valor de la aceleración (𝒂), puede calcularse la distancia recorrida de un móvil en un tiempo 𝒕, esto es:
𝒙 = 𝒙𝒐 + 𝒗𝒊𝒕 +𝟏
𝟐𝒂𝒕𝟐
Donde:
74 FISICA I
TRANSVERSAL
𝒙𝒐 = 𝑷𝒖𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝒑𝒂𝒓𝒕𝒊𝒅𝒂 𝒅𝒆𝒍 𝒎ó𝒗𝒊𝒍. Por lo general (no siempre) se toma como cero.
Si se toma como cero, la ecuación quedaría entonces:
𝒙 = 𝒗𝒊𝒕 +𝟏
𝟐𝒂𝒕𝟐 (𝟑)
Otra expresión para hallar la velocidad partiendo de la aceleración y la distancia recorrida por un móvil es la siguiente**
𝑣𝑓2 = 𝑣𝑜
2 + 2𝑎𝑥 (4)
Nota 1: Para resolver problemas de MUA, tiene ecuaciones que le permitirán resolver cualquiera de este tipo.
Nota 2: Tenga presente las siguientes recomendaciones:
- Identifique el tipo de movimiento.
- Recuerde que debe utilizar las mismas unidades para cada concepto, en caso contrario utilice los
factores de conversión para que transforme las unidades.
- Elabore una tabla con los datos conocidos y desconocidos del problema.
- Verifique cuál ecuación (o ecuaciones) le permiten, al reemplazar los valores conocidos, obtener la
solución requerida para el problema propuesto o si es necesario la combinación de dos o más
ecuaciones para dicha solución.
- Las ecuaciones para resolver este tipo de problemas son:
𝒂 =𝒗𝒇 − 𝒗𝒊
𝒕(𝟏)
𝒗𝒇 = 𝒗𝒊 + 𝒂𝒕 (𝟐)
𝒙 = 𝒗𝒊𝒕 +𝟏
𝟐𝒂𝒕𝟐 (𝟑)
𝑣𝑓2 = 𝑣𝑜
2 + 2𝑎𝑥 (4)
75 FISICA I
TRANSVERSAL
3.4.1 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Un joven en una camioneta viaja a 60km/h y ve que en su camino hay un semáforo en rojo, desacelera hasta detenerse y se detiene 3 s después.
Si el semáforo se encuentra a 30m del joven desde que vio el semáforo. ¿Alcanzó a detenerse a tiempo?
Paso 1: Lo primero que se debe hacer es pasar estos 60km/h a m/s, de la siguiente forma:
60km
h∗1000m
1km∗
1h
3600s= 16.67m/s
Paso 2: Se debe calcular el desplazamiento desde el momento que el joven vio el semáforo hasta que se detuvo.
𝑥 = 𝑥𝑜 + 𝑣𝑖𝑡 +1
2𝑎𝑡2
𝑥𝑜 posición inicial tomamos x=0m
𝑣𝑖 velocidad inicial se calculó en m/s y el resultado fue 16.67m/s
t tiempo se demoró en detenerse 3s.
𝑎 aceleración se debe calcular
Se calcula la aceleración:
𝑎 =𝑣 − 𝑣𝑜
𝑡 − 0=
0 − 16.67𝑚/𝑠
3𝑠= −5.56𝑚/𝑠2
Como el auto se está deteniendo (la aceleración es negativa ya que el auto está perdiendo velocidad), la aceleración tiene signo negativo (se llama desaceleración). La velocidad final es 0 (𝒗𝒇 = 𝟎)porque se detiene.
Teniendo todas las variables del problema, se reemplaza en la fórmula de la distancia (espacio recorrido):
𝑥 = 0𝑚 + (16.67𝑚
𝑠)(3𝑠) +
1
2(−5.56
𝑚
𝑠2)(3𝑠)2
𝑥 = 0𝑚 + 50.01𝑚 − 25.02𝑚 = 25𝑚
R/ El joven se desplazó 25 metros después de ver el semáforo y se encontraba a 30 metros de éste. Por lo tanto, se detuvo 5 metros antes de que cambiara el semáforo.
Caída libre de los cuerpos
76 FISICA I
TRANSVERSAL
Es un caso particular del Movimiento Uniformemente Acelerado en el cual un cuerpo se deja caer cerca de la superficie terrestre, por lo tanto se debe tener en cuenta la aceleración de la gravedad que está dada por una constante:
𝒈 = 𝟗. 𝟖𝟏𝒎𝒔𝟐⁄
En el tiro de subida, la velocidad inicial siempre es difrente de cero.
La velocidad es cero cuando alcanza su altura máxima.
Al subir su velocidad es positiva y al caer su velocidad es negativa
El tiempo de subida es igual al tiempo de bajada.
Para la misma posición del lanzamiento la velocidad de subida es igual a la velocidad de bajada.
Tomado de: http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Movimiento_caida_libre.html
Las ecuaciones utilizadas en caída libre son las mismas del MUA, pero se debe tener en cuenta que la aceleración a está dada por g que tiene un valor constante de
𝒈 = 𝟗. 𝟖𝟏𝒎𝒔𝟐⁄
Por lo tanto las ecuaciones para caída libre quedarían:
𝒗𝒇 = 𝒗𝒊 + 𝒈𝒕 (𝟐)
77 FISICA I
TRANSVERSAL
𝒉 = 𝒗𝒊𝒕 +𝟏
𝟐𝒈𝒕𝟐 (𝟑)
𝑣𝑓2 = 𝑣𝑜
2 + 2𝑔ℎ (4)
Dónde:
𝑔: 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑
ℎ: 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎
3.4.2 EJERCICIOS DE APRENDIZAJE
1. Desde una altura de 1960m, se deja caer un cuerpo. Hallar:
a. La velocidad con la que cae al suelo: Velocidad Final.
b. Tiempo que tarda en llegar al suelo.
Procedimiento
1. Tabla de datos conocidos y desconocidos
Datos conocidos
𝒉 = 𝟏𝟗𝟔𝟎 𝒎
𝒈 = 𝟗. 𝟖𝟏𝒎𝒔𝟐⁄
𝒗𝒊 = 𝟎 (Se deja caer el cuerpo)
Datos desconocidos
𝒗𝒇 =¿ ?
𝒕 =¿ ?
2. Como se conoce la velocidad inicial, la altura y la gravedad, se utiliza la ecuación de caída libre dada
por:
𝑣𝑓2 = 𝑣𝑜
2 + 2𝑔ℎ
– Reemplazando los datos conocidos se tiene:
𝑣𝑓2 = 𝑣𝑜
2 + 2𝑔ℎ → 𝑣𝑓2 = 0 + 2 × (9.81𝑚
𝑠2⁄ ) × 1960𝑚
78 FISICA I
TRANSVERSAL
𝑣𝑓2 = 19.62 𝑚
𝑠2⁄ × 1960 𝑚 → 𝑣𝑓2 = 38455.2𝑚2
𝑠2⁄
– Sacando raíz a ambos lados de la ecuación, se tiene:
𝒗𝒇 = √𝟑𝟖𝟒𝟓𝟓. 𝟐𝒎𝟐
𝒔𝟐⁄ → 𝒗𝒇 = 𝟏𝟗𝟔. 𝟏𝒎𝒔⁄
3. Se calcula el tiempo, para ello se utiliza la ecuación dada por:
𝒗𝒇 = 𝒗𝒊 + 𝒈𝒕, Despejando 𝒕 se tiene:
𝒕 =𝒗𝒇−𝒗𝒊
𝒈, reemplazando los valores conocidos:
𝒕 =𝒗𝒇 − 𝒗𝒊
𝒈→ 𝑡 =
196.1𝑚𝑠⁄ − 0
9.81𝑚𝑠2⁄
→ 𝑡 = 19.99𝑠
2. Se lanza un cuerpo hacia arriba con una velocidad de 200 m/s. Hallar:
a. Tiempo para alcanzar la altura máxima
b. Altura alcanzada.
Procedimiento
1. Tabla de datos conocidos y desconocidos
Datos conocidos
𝒈 = −𝟗. 𝟖𝟏𝒎𝒔𝟐⁄ (El cuerpo está subiendo y va perdiendo velocidad).
𝒗𝒊 = 𝟐𝟎𝟎𝒎𝒔⁄
𝒗𝒇 = 𝟎
Datos desconocidos
𝒕 =¿ ?
𝒉 =¿ ?
2. Se calcula el tiempo para alcanzar la altura máxima, para ello se utiliza la ecuación:
𝒗𝒇 = 𝒗𝒊 + 𝒈𝒕, Despejando 𝒕 se tiene:
𝒕 =𝒗𝒇−𝒗𝒊
𝒈, reemplazando los valores conocidos:
79 FISICA I
TRANSVERSAL
𝒕 =𝒗𝒇 − 𝒗𝒊
𝒈→ 𝑡 =
0 − 200𝑚𝑠⁄
−9.81𝑚𝑠2⁄
→ 𝑡 = 20.39𝑠
3. Se calcula la altura (ℎ) que alcanza el cuerpo a los 20.39 s:
Para ello se utiliza la ecuación: 𝒉 = 𝒗𝒊𝒕 +𝟏
𝟐𝒈𝒕𝟐
– Reemplazando los valores conocidos se tiene que:
𝒉 = 𝟐𝟎𝟎𝒎𝒔⁄ × 𝟐𝟎. 𝟑𝟗𝒔 +
−𝟗. 𝟖𝟏𝒎𝒔𝟐⁄ × 𝟒𝟎𝟎𝒔𝟐
𝟐
𝒉 = 𝟒𝟎𝟕𝟖 𝒎 − 𝟏𝟗𝟔𝟐 𝒎 = 𝟐𝟏𝟏𝟔 𝒎
Solución: El cuerpo sube 2116 m en 20.39 s
80 FISICA I
TRANSVERSAL
81 FISICA I
TRANSVERSAL
3.4.3 TALLER DE ENTRENAMIENTO
1. Responda Falso (F) o Verdadero (V) según corresponda:
a. Cuando un cuerpo se mueve, el valor del desplazamiento siempre es diferente de cero. ( )
b. El desplazamiento de un cuerpo no puede ser negativo ( )
c. Un cuerpo que se mueve cambiando su velocidad experimenta una aceleración ( )
d. La rapidez de un móvil no puede ser negativa ( )
2. Determina en cuál de las siguientes soluciones la aceleración es 0m/s2:
a. Un paquete en el asiento posterior de un automóvil que parte del reposo y varía su velocidad.
b. Una persona que se ejercita en un caminador a una velocidad de 4m/s.
c. Un niño que se lanza por un rodadero.
d. Unas llaves lanzadas desde la ventana de un apartamento.
3. Plantea una situación en la que un cuerpo recorra una distancia en una trayectoria curvilínea y su
desplazamiento sea cero. (Dibujar)
4. La gráfica de la posición en función del tiempo para dos móviles A y B se muestra en la figura. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?
a. A y B tienen la misma aceleración distinta de cero.
b. A está acelerando.
c. A tiene mayor velocidad que B.
d. B tiene mayor velocidad que A.
5. Sobre la distancia y el tiempo en la gráfica de la pregunta 4, puede afirmarse que estas magnitudes son: En
esta gráfica las magnitudes son:
a. Directamente proporcionales, debido a que al aumentar el tiempo, disminuye la distancia.
b. Inversamente proporcionales, debido a que al aumentar el tiempo, disminuye la distancia.
c. Directamente proporcionales, debido a que al aumentar el tiempo aumenta la distancia.
d. Inversamente proporcionales, debido a que al aumentar el tiempo aumenta la distancia.
82 FISICA I
TRANSVERSAL
6. Un coche parte del reposo y en t = 0 s, se encuentra en el origen del sistema de referencia. Si se mueve con aceleración constante en el sentido positivo: a. Su velocidad final es cero.
b. Su posición inicial es cero pero su velocidad inicial no.
c. Su velocidad inicial es cero pero su posición inicial no.
d. Su posición y velocidad inicial son ambas cero.
7. Un camión que circula de izquierda a derecha en línea recta, realiza una frenada de emergencia. Si tomamos
como positivo el sentido hacia la derecha entonces: a. La velocidad y aceleración son negativas. b. La velocidad y aceleración son positivas. c. La velocidad será negativa y su aceleración será positiva. d. La velocidad será positiva y su aceleración será negativa.
8. Si corres hacia el norte a 2 km/h durante una hora y después corres hacia el sur a 3 km/h durante una hora, tu desplazamiento neto será:
a. 5 km al norte. b. 5 km al sur. c. 1 km al norte. d. 1 km al sur.
9. Si la aceleración instantánea de un móvil es 5m/s2, esto significa que
a. Recorre 5 metros en un segundo.
b. Va a una velocidad de 5 m/s.
c. Varía su velocidad 5 m/s en un segundo.
d. Ninguna de las anteriores.
10. Una moneda es lanzada verticalmente hacia arriba. Determina cuál de las siguientes afirmaciones es
correcta:
a. La velocidad en el punto más alto de la trayectoria es diferente de cero.
b. La aceleración que experimenta es mayor de subida que de bajada.
c. La velocidad inicial con la que se lanza es la máxima durante el movimiento de subida.
d. El tiempo de subida es mayor que el de bajada.
83 FISICA I
TRANSVERSAL
11. ¿Cuál de las afirmaciones siguientes es VERDADERA?
a. En el movimiento rectilíneo uniforme (MRU), el móvil recorre diferentes distancias, en iguales tiempos. b. En el MRU la aceleración es diferente de cero. c. La magnitud de la velocidad recibe el nombre de rapidez. d. La aceleración de un móvil se puede representar como un vector.
12. Para la gráfica anterior de posición respecto al tiempo en segundos, el desplazamiento es igual a:
a. 40km b. 20km c. -20km d. 60km
13. Los tramos en los cuales la velocidad es negativa son:
a. Del segundo 0 al 2.
b. Del segundo 2 al 3 y del 4 al 5.
c. Del segundo 3 al 4.
d. En ningún tramo la velocidad es negativa.
14. ¿Cómo saber si un objeto está en reposo o en movimiento?
15. Por qué es importante, para analizar el movimiento de un cuerpo, definir primero un sistema de referencia?
16. Plantea un ejemplo en el que el desplazamiento sea negativo.
17. Plantea un ejemplo en el que la trayectoria sea elíptica y el desplazamiento sea nulo.
18. ¿Cuál es la diferencia entre una magnitud escalar y una vectorial?
19. Plantea una suma de tres vectores con magnitudes diferentes y cuya suma sea igual a cero.
20. Para la siguiente gráfica que muestra el comportamiento de la posición en función del tiempo, calcule:
84 FISICA I
TRANSVERSAL
a. La velocidad para los seis tramos (km/s).
Tramo 1: 𝑣 =
=
Tramo 2: 𝑣 =
=
Tramo 3: 𝑣 =
=
Tramo 4: 𝑣 =
=
Tramo 5: 𝑣 =
=
Tramo 6: 𝑣 =
=
b. La distancia recorrida: x total=
c. El desplazamiento. Δx=
21. Dos vehículos salen al encuentro desde dos ciudades separadas por 300 km, con velocidades de 72 km/h y 108 km/h, respectivamente. Si salen a la vez responda a las siguientes preguntas:
a) El tiempo que tardan en encontrarse.
b) La posición donde se encuentran.
22. Un coche sale de Ponferrada con una velocidad de 72 km/h. Dos horas más tarde sale de la misma ciudad otro coche en persecución del anterior con una velocidad de 108 km/h calcula :
a) El tiempo que tardan en encontrarse.
b) La posición donde se encuentran.
85 FISICA I
TRANSVERSAL
23. Una locomotora necesita 10 s. para alcanzar su velocidad normal que es 25m/s.
Suponiendo que su movimiento es uniformemente acelerado ¿Qué aceleración se le ha comunicado y qué
espacio ha recorrido antes de alcanzar la velocidad regular?
24. Un tren que va a 30 m/s debe reducir su velocidad a 20 m/s. al pasar por un puente. Si realiza la operación
en 5 segundos, ¿Qué espacio ha recorrido en ese tiempo?
25. Un avión despega de la pista de un aeropuerto, con una velocidad de 144 Km/h después de recorrer 1000 m de la misma, si partió del reposo. Calcular a) la aceleración durante ese trayecto. b) El tiempo que ha tardado en despegar c) La distancia recorrida en tierra en el último segundo.
3.4.4 EJERCICIOS DE ENTRENAMIENTO DEL TEMA CAÍDA LIBRE
1. Un objeto se deja caer desde lo alto de un edificio y demora 1.80 s en caer. ¿Qué altura tiene el edificio?
2. Si un objeto se suelta y cae 19.5 m en 2.0 s ¿Qué tan lejos caerá en 4.0 s?
3. ¿Con que rapidez se debe lanzar verticalmente hacia arriba un objeto para que alcance 12.0 m de altura?
4. Una pelota se lanza verticalmente hacia arriba llega a una altura de 12m. ¿Con que velocidad fue lanzada, si
alcanza esa altura a los 10 s?
5. Se lanza hacia abajo una pelota con una rapidez de 3.0 m/s Determine que tan lejos viaja a los 1. 80 s ¿Qué
velocidad lleva en ese momento?
3.4.5 LABORATORIO
Título de la práctica: MUA.
Nombre de los experimentadores:
RESUMEN. Éste debe dar una idea clara de los objetivos, metodología y resultados obtenidos. Tenga en cuenta que del resumen el lector debe formarse una idea global del trabajo.
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
________________________________________________________
86 FISICA I
TRANSVERSAL
Palabras clave. Escriba un renglón de palabras clave, anotando ciertas palabras que identifiquen conceptos sustantivos contenidos y estudiados en la práctica.
• MODELO TEÓRICO. Defina los conceptos relacionados con la práctica de estudio, puede anexar gráficos,
ecuaciones e ilustraciones si lo considera necesario.
Distancia:_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Desplazamiento:_________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________
Velocidad:______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_________________________________
Aceleración:_____________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_________
Posición:________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______
MÉTODO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS. Aquí el(los) autor(es) debe presentar una breve descripción de
los equipos usados, de los montajes realizados y de los métodos experimentales utilizados en sus procesos
de medida. Así mismo, explicar el procedimiento detallado.
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.
87 FISICA I
TRANSVERSAL
TABLA DE REGISTRO. Escriba los datos, según la información recolectada en la práctica.
Para el análisis de resultados, responda las siguientes preguntas:
Para cada ángulo halle el valor de la aceleración, haciendo uso de la fórmula:
X = Xo + Vo𝐭 +1
2ª𝐭𝟐 con Xo=0m; Vo=0m/s.
¿Qué significa que Xo sea 0m?
¿Qué significa que Vo sea 0m/s?
Consigne los cálculos para la aceleración en cada caso (anexar una hoja) y completar la tabla:
Según la tabla anterior, ¿qué puede decir sobre la relación entre el ángulo y la aceleración?
Según la tabla anterior, ¿al cambiar la distancia para el mismo ángulo, cómo es el comportamiento de la
aceleración?, ¿por qué?
Tiempo de recorrido (s)
ÁNGULO distancia
25cm 50cm 75cm 1m
0º
20º
45º
60º
90º
Aceleración en m/s2
ÁNGULO distancia
25cm 50cm 75cm 1m
0º
20º
45º
60º
90º
88 FISICA I
TRANSVERSAL
¿Qué valor para la aceleración se debe esperar para el ángulo de 90º? ¿Por qué?
¿Se cumple la predicción hecha? ¿Cuál es el error relativo?
Realizar una gráfica que relacione la posición x con respecto al tiempo t para cada ángulo, utilizando Excel.
¿Qué significa el valor de la pendiente? ¿Cuáles son sus unidades?
¿Si se fuera a graficar la velocidad con respecto al tiempo, el comportamiento seguiría siendo lineal?
Justifique.
3.5 TEMA 4 MOVIMIENTO EN EL PLANO – MOVIMIENTO DE PROYECTILES
Es un movimiento que se da en dos dimensiones, esto es, en los ejes 𝒙 e 𝒚 del plano cartesiano, a través de un mapa se mostrará la composición de este movimiento:
89 FISICA I
TRANSVERSAL
Nota: Es importante entender que los vectores se pueden descomponer en sus componentes (Repasar unidad I, Magnitudes Vectoriales). Una componente de tipo horizontal y otra vertical. Para explicar el movimiento de proyectiles, es necesario entender esta descomposición.
Tomado de: http://www.aulafacil.com/
Observe que este vector de fuerza tiene un ángulo (que corresponde a su dirección). Este ángulo es fundamental para conocer el valor de las componentes de un vector. Para un vector que está ubicado en el primer cuadrante, las fórmulas básicas para descomponerlo son las siguientes:
Tomado de: http://catchupmath.com
Componente en x
Vx = Vcosθ
Componente en y
Vy = Vsenθ
90 FISICA I
TRANSVERSAL
Las dos componentes para hallar la magnitud del vector
𝒗 = √Vx2 + Vy
2
Teniendo en cuenta lo anterior complete la tabla, teniendo en cuenta las velocidades dadas y el ángulo de disparo para un proyectil.
¿Para qué ángulo de disparo, las componentes vertical y horizontal son iguales?
¿Para qué ángulo de disparo, la componente vertical es mínima?
¿Para qué ángulo de disparo, la componente horizontal es mínima?
Movimiento de Proyectiles
Como se expuso anteriormente, en la relación de conceptos, el movimiento de proyectiles corresponde a la composición de dos movimientos:
Uno vertical, y
Otro horizontal.
𝑽 (𝒎 𝒔⁄ ) 𝜽 𝑽𝒙 𝑽𝒚
300 00
300 300
300 450
300 600
300 750
300 900
91 FISICA I
TRANSVERSAL
Tomado de: http://galia.fc.uaslp.mx/
Movimiento parabólico
Movimiento
Horizontal
Movimiento
Vertical
92 FISICA I
TRANSVERSAL
La componente horizontal de la velocidad (en el eje 𝒙) siempre es la misma, es constante, por eso, no hay
aceleración horizontal y se trata de un movimiento rectilíneo uniforme (MRU).
La componente vertical de la velocidad (eje 𝒚) es variable y su aceleración es la gravedad, por eso, asociamos
este movimiento con un movimiento uniformemente acelerado (MUA).
El vector velocidad es cambiante, pero nunca es cero. Esto se da porque siempre hay velocidad en el eje 𝒙.
Nota: En muchos deportes es posible observar un movimiento parabólico.
Tomado: http://ctazrobles.wikispaces.com/
3.5.1 EJERCICIOS DE APRENDIZAJE
Imagen tomada de: http://www.aulafacil.com/
93 FISICA I
TRANSVERSAL
1. Un cañón lanza un proyectil con un ángulo de 30° sobre la horizontal y con una velocidad de 40m/s.
Determinar:
a. Las componentes de la velocidad
Componente en x
Vx = Vcosθ = (40m
s) ∗ cos(30°) = 34.6m/s
Componente en y
Vy = Vsenθ = (40m
s) ∗ sen(30°) = 20.0m/s
b. El tiempo en alcanzar la altura máxima
La altura máxima es alcanzada cuando la velocidad en y es igual a cero:
𝐕𝐲 = 𝟎
– Reemplazando y teniendo en cuenta el valor de la velocidad inicial, se despeja el tiempo:
Tomando la ecuación: 𝑽𝒚 = 𝑽𝒐𝒚 + 𝒈 ∙ 𝒕
0𝑚/𝑠 = 20𝑚/𝑠 + 𝑔 ∙ 𝑡
– El signo es negativo, recordando el sentido de la aceleración de la gravedad hacia abajo.
−𝟐𝟎𝒎/𝒔 = (−𝟗. 𝟖𝟏 𝒎
𝒔𝟐) ∙ 𝒕
−𝟐𝟎𝒎/𝒔
(−𝟗. 𝟖𝟏 𝒎𝒔𝟐)
= 𝒕
𝒕 = 𝟐. 𝟎𝟒 𝒔
c. El alcance horizontal.
– Tiempo total: Corresponde al doble del tiempo de subida.
𝒕 = 𝟐 ∗ 𝟐. 𝟎𝟒 𝒔 = 𝟒. 𝟎𝟖 𝒔
94 FISICA I
TRANSVERSAL
– Conociendo la velocidad y el tiempo, se puede hallar el alcance horizontal (es la distancia sobre el
eje x que recorre el proyectil):
𝒙 = 𝑽𝒐𝒙∙ 𝒕 = (𝟑𝟒. 𝟔
𝒎
𝒔) ∗ (𝟒. 𝟎𝒔) = 𝟏𝟑𝟖. 𝟒 𝒎
Solución: El proyectil alcanza una distancia de 138.4m.
2. Se lanza una pelota con una velocidad de 200 m/s haciendo un ángulo con la horizontal de 370
. Determine la posición 5s después de lanzada.
Procedimiento
a. Se determinan las componentes de la velocidad:
Componente en x
Vx = Vcosθ = (200m
s) ∗ cos(37°) = 159.73 m/s
Componente en y
Vy = Vsenθ = (200m
s) ∗ sen(37°) = 120.36m/s
b. Se calcula el alcance a los 5 segundos utilizando la ecuación:
𝒙 = 𝒗𝟎 𝒕 +𝟏
𝟐𝒈𝒕𝟐
Reemplazando se tiene:
– Alcance horizontal (𝒙) a los 5 segundos:
𝒙 = 𝟏𝟓𝟗. 𝟕𝟑𝒎𝒔⁄ ∗ 𝟓 𝒔 +
𝟏
𝟐(𝟎𝒎
𝒔𝟐⁄ ) ∗ 𝟐𝟓 𝒔𝟐
𝒙 = 𝟕𝟗𝟖. 𝟔𝟓 𝒎 + 𝟎)
𝒙 = 𝟕𝟗𝟖. 𝟔𝟓𝒎
95 FISICA I
TRANSVERSAL
– Altura (𝒚) a los 5 segundos:
𝒚 = 𝟏𝟐𝟎. 𝟑𝟔𝒎𝒔⁄ ∗ 𝟓 𝒔 +
𝟏
𝟐(−𝟗. 𝟖𝟏𝒎
𝒔𝟐⁄ ) ∗ 𝟐𝟓 𝒔𝟐
𝒚 = 𝟔𝟎𝟏. 𝟖 𝒎 − 𝟏𝟐𝟐. 𝟔𝟐𝟓𝒎
𝒚 = 𝟒𝟕𝟗. 𝟏𝟖
Solución: Esto quiere decir que al cabo de 5s la pelota ha avanzado 798.65m horizontalmente y se encuentra a 479.118 m de altura respecto al nivel de lanzamiento.
96 FISICA I
TRANSVERSAL
97 FISICA I
TRANSVERSAL
98 FISICA I
TRANSVERSAL
3.6 TEMA 5 MOVIMIENTO CIRCULAR
http://educaplus.org/games.php?search=movimiento+circular&x=22&y=13
El movimiento circular, llamado también curvilíneo, es otro tipo de movimiento sencillo.
Movimiento Circular Uniforme (MCU): Es aquel movimiento realizado por un objeto que se mueve con velocidad constante y que describe una circunferencia en su trayectoria.
Ejemplos de movimiento circular:
Tomado de: http://www.profesorenlinea.cl/
Tomado de: http://cienciaexplicada.com/
99 FISICA I
TRANSVERSAL
Tomado de: http://montagepages.fuselabs.com/
Elementos del Movimiento Circular Uniforme (M.C.U):
Cuando un móvil da el mismo número de vueltas por segundo, posee movimiento circular uniforme (MCU).
𝑫𝒂𝒅𝒐𝒔: 𝒕 = 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒚 𝒏 = 𝒄𝒊𝒄𝒍𝒐𝒔 𝒐 𝒏ú𝒎𝒆𝒓𝒐 𝒅𝒆 𝒗𝒖𝒆𝒍𝒕𝒂𝒔
CONCEPTO DEFINICIÓN REPRESENTACIÓN
Periodo Tiempo que tarda un cuerpo en realizar un ciclo completo (o una revolución o una vuelta completa). Se mide en segundos (s).
𝐓 =𝐓𝐢𝐞𝐦𝐩𝐨 𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥
𝐍ú𝐦𝐞𝐫𝐨 𝐝𝐞 𝐜𝐢𝐜𝐥𝐨𝐬
𝑻 =𝒕
𝒏[𝒔]
Frecuencia
Corresponde al número de ciclos (revoluciones o vueltas) en la unidad de tiempo. Se mide en ciclos por segundos o Hertz (Hz). Se representa con 𝑵.
𝑵 =𝐍ú𝐦𝐞𝐫𝐨 𝐝𝐞 𝐜𝐢𝐜𝐥𝐨𝐬
𝐓𝐢𝐞𝐦𝐩𝐨 𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥
𝑵 =𝒏
𝒕[𝟏
𝒔] , [𝒔−𝟏], [𝑯𝒛]
𝑯𝒛 = 𝟏 𝑯𝒆𝒓𝒕𝒛
𝑵𝒐𝒕𝒂:𝑻 𝒚 𝑵 𝒔𝒐𝒏 𝒊𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒂𝒎𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒑𝒓𝒐𝒑𝒐𝒓𝒄𝒊𝒐𝒏𝒂𝒍𝒆𝒔 𝒑𝒐𝒓 𝒍𝒐 𝒕𝒂𝒏𝒕𝒐 𝒔𝒖 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒕𝒐 𝒆𝒔 𝒊𝒈𝒖𝒂𝒍 𝒂 𝟏, esto es:
𝑻 ∗ 𝑵 = 𝟏 →𝒕
𝒏∗𝒏
𝒕= 𝟏
Posición angular Tomado de:
http://www.profesorenlinea.cl/fisica/MovimientoCircular.html
El desplazamiento en el movimiento circular se mide de acuerdo al ángulo de recorrido desde 0° a 360°, o en radianes de 0 a 2𝝅. Un radián equivale a 57.3°. Este ángulo se mide desde un punto de origen O, hasta un punto dado P.
Velocidad angular http://educaplus.org/play-239-
Velocidad-angular.html
Relaciona el cambio de la posición angular respecto a una unidad de tiempo dado. Sus unidades son rad/s (radianes por segundo) y se expresa con la letra omega 𝝎. Es el Angulo barrido por el cuerpo en la unidad de tiempo.
𝝎 =𝟐𝝅
𝑻[𝑹𝒂𝒅
𝒔]
También se puede expresar en función de la frecuencia (N): 𝝎 = 𝟐𝝅 𝑵 𝑹𝒂𝒅:𝑹𝒂𝒅𝒊𝒂𝒏𝒆𝒔
100 FISICA I
TRANSVERSAL
VELOCIDAD LINEAL o TANGENCIAL:
Es la velocidad constante con la que el móvil se desplaza sobre la circunferencia, también se puede definir como la velocidad que lleva el móvil en un punto de la trayectoria, esta velocidad es tangente a la trayectoria y por eso también se puede llamar Velocidad Tangencial. Esta velocidad es directamente proporcional a la velocidad angular.
𝒗𝒍 𝜶 𝒘 (velocidad lineal directamente proporcional a la velocidad angular), para convertirla en una igualdad se multiplica por una constante, en este caso por el Radio 𝑹 de la circunferencia , por lo tanto:
𝒗𝒍 = 𝒘.𝑹 [𝒎
𝒔]
ACELERACION CENTRIPETA
En el M.C.U. la magnitud de la velocidad no cambia, pero si lo hace su dirección; Así que el vector velocidad cambia de un punto a otro. La dirección de esta aceleración es radial dirigida hacia el centro de la trayectoria, por ello se denomina Aceleración Centrípeta.
𝒂𝒄 = 𝒘𝟐. 𝑹 [𝒎
𝒔𝟐]
𝒂𝒄 =𝒗𝒍
𝟐
𝑹[𝒎
𝒔𝟐]
3.6.1 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Un disco de 30 cm. de radio gira a 120 revoluciones por segundo (Rev/s.)
a. ¿Cuál es su velocidad angular?
b. ¿Cuál es la velocidad lineal tangencial en un punto del disco situado a 10 cm. del centro?
c. ¿Cuál es la velocidad tangencial en el borde del disco?
Procedimiento
a. Para calcular la velocidad Angular se aplica la ecuación correspondiente, pero primero se debe calcular
el periodo o la frecuencia, se tiene entonces:
𝑁 =𝑛
𝑡→ 𝑁 =
120 𝑟𝑒𝑣
60 𝑠→ 𝑁 = 2𝑅𝑒𝑣
𝑠⁄
Reemplazando este valor en la ecuación de velocidad angular, se tiene:
𝝎 = 𝟐𝝅 𝑵 → 𝝎 = 𝟐𝝅 ∗ 𝟐 𝑅𝑒𝑣𝑠⁄ → 𝜔 = 4𝜋 𝑅𝑒𝑣
𝑠⁄
b. Para calcular la velocidad tangencial (en un punto situado a 10 cm. del centro de la trayectoria), se aplica
la ecuación correspondiente, esto es:
Recuerde: 10 𝑐𝑚 ×1𝑚
100𝑐𝑚= 0.10 𝑚 (Factores de conversión).
𝒗𝒍 = 𝒘.𝑹 → 𝒗𝒍 = 4𝜋 𝑅𝑒𝑣𝑠⁄ ∗ 0.10 𝑚 → 𝜔 = 0.4 𝜋𝑚
𝑠⁄
101 FISICA I
TRANSVERSAL
c. Para calcular la velocidad tangencial (en un punto situado el borde del disco, Radio de 30 cm.), se aplica
la ecuación correspondiente, esto es:
Recuerde: 30 𝑐𝑚 ×1𝑚
100𝑐𝑚= 0.30 𝑚 (Factores de conversión).
𝒗𝒍 = 𝒘.𝑹 → 𝒗𝒍 = 4𝜋 𝑅𝑒𝑣𝑠⁄ ∗ 0.30 𝑚 → 𝜔 = 1.2 𝜋𝑚
𝑠⁄
______________________________________________________________
TRANSMISION EN EL MOVIMIENTO DE ROTACION
Las aplicaciones más importantes del movimiento de rotación se generan por la facilidad de transmitir este movimiento de un cuerpo a otro. Por ejemplo:
En la bicicleta se trasmite del plato al piñón de la rueda mediante la cadena.
En las cajas de velocidades de los carros, la transmisión se hace mediante los piñones.
En este tipo de transmisiones:
Las velocidades angulares son inversamente proporcionales a los radios; Así estos sistemas permiten multiplicar la rotación, entonces se da la siguiente relación:
𝝎𝒂
𝝎𝒃=
𝑹𝑩
𝑹𝑨
Gráficamente se ilustraría así:
3.6.2 EJERCICIOS DE APRENDIZAJE
1. Una rueda de radio 20 cm. se conecta mediante una correa con otra de radio 5 cm. Si la primera da 10
vueltas por segundo, ¿cuantas vueltas por segundo dará la segunda?
Procedimiento
1. Datos del problema
𝑹𝟏 = 𝟐𝟎 𝒄𝒎, 𝑹𝟐 = 𝟓 𝒄𝒎
𝒇𝟏 = 𝟏𝟎𝒓𝒆𝒗𝒔⁄ , 𝒇𝟐 =¿ ?
𝑅𝐴
𝑅𝐵
102 FISICA I
TRANSVERSAL
2. Aplicando la respectiva ecuación, se tiene:
𝒇𝟏
𝒇𝟐=
𝑹𝟏
𝑹𝟐
3. Se despeja 𝒇𝟐:
𝒇𝟏
𝒇𝟐=
𝑹𝟏
𝑹𝟐→ 𝒇𝟐 =
𝒇𝟏 ∗ 𝑹𝟐
𝑹𝟏→ 𝒇𝟐 =
𝟏𝟎𝒓𝒆𝒗𝒔⁄ ∗ 𝟐𝟎 𝒄𝒎
𝟓 𝒄𝒎→
𝒇𝟐 =𝟐𝟎𝟎𝒓𝒆𝒗
𝒔⁄
𝟓→ 𝒇𝟐 = 𝟒𝟎𝒓𝒆𝒗
𝒔⁄
Solución: La rueda pequeña gira a 𝟒𝟎𝒓𝒆𝒗𝒔⁄ .
Una rueda de 50 cm de radio gira a 180 r.p.m.
Calcular: a) El módulo de la velocidad angular en rad/s
180 rpm hacen referencia a una velocidad angular. “rpm” traduce: “revoluciones por minuto”, es decir que por cada minuto esta rueda realiza 180 ciclos. Basta con realizar una conversión:
𝜔 = 180𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛∗2𝜋 𝑟𝑎𝑑
1 𝑟𝑒𝑣∗
1 𝑚𝑖𝑛
3600 𝑠= 0.1𝜋 𝑟𝑎𝑑/𝑠
b) El módulo de la velocidad lineal de su borde.
Teniendo la velocidad angular, se multiplica por el radio para calcular la magnitud (módulo) de la velocidad lineal.
𝑣 = 0.1𝜋𝑟𝑎𝑑
𝑠∗ (0.5𝑚) = 0.16𝑚/𝑠
c) Su frecuencia.
Sabemos que:
𝜔 =2𝜋
𝑇= 2𝜋𝑁
Conocemos 𝜔 del numeral a), por lo tanto podemos despejar la frecuencia N:
𝜔 = 2𝜋𝑁
0.1𝜋 = 2𝜋𝑁
103 FISICA I
TRANSVERSAL
0.05𝐻𝑧 = 𝑁
3.6.3 EJERCICIOS DE ENTRENAMIENTO
Nota: CADA UNA DE LAS PREGUNTAS DEBE JUSTIFICARSE.
Selección múltiple.
1. Si se desprecia la resistencia del aire, el movimiento de un objeto proyectado con cierto ángulo consiste
en una aceleración uniforme hacia abajo, combinada con;
a. Una aceleración horizontal igual.
b. Una velocidad horizontal uniforme.
c. Una velocidad constante hacia arriba.
d. Una aceleración que siempre forma un ángulo recto a la trayectoria del movimiento.
2. Un balón de fútbol americano se lanza en un pase largo. En comparación con la velocidad horizontal
inicial del balón, la componente horizontal de su velocidad en el punto más alto es:
a. Mayor. b. Menor. c. La misma.
3. Un balón de fútbol americano se lanza en un pase largo. En comparación con la velocidad vertical inicial
del balón, la componente vertical de su velocidad en el punto más alto es:
a. Mayor. b. Menor. c. La misma.
La ecuación 𝑦 = 𝑦𝑜 + 𝑉𝑂𝑦𝑡 +1
2𝑎𝑦𝑡
2 *
4. Se aplica:
a. A todos los problemas de cinemática.
b. Sólo si 𝑉𝑂𝑦 es cero.
c. Cuando a es constante.
d. Cuando se tienen tiempos negativos.
5. Esta ecuación * se aplica para:
104 FISICA I
TRANSVERSAL
a. La componente vertical de un movimiento parabólico.
b. La componente horizontal de un movimiento parabólico.
c. Ambas componentes de un movimiento parabólico.
d. No se puede determinar.
6. La magnitud de la aceleración en el punto A es aA y la magnitud de la aceleración en el punto B es aB. Es cierto que:
105 FISICA I
TRANSVERSAL
a. aA < aB
b. aA = aA = 0
c. aA > aA
d. aA = aA = g
7. Antonio se encuetra en una avioneta que vuela con una velocidad horizontal constante. Suelta un paquete por la ventana. Según Antonio la trayectoria que describe el paquete es:
A. Una recta inclinada con respecto al suelo B. Una parabóla. C. Una recta vertical D. Una curva, pero con los datos que disponemos no podemos decir qué forma tendra. 9. Un movil recorre una trayectoria curvilinea con rapidez constante, el vector aceleración es: A. Nulo B.Constante C. Paralelo a la trayectoria D.Normal a la trayectoria
Escriba Falso o Verdadero según corresponda:
10. Todos los cuerpos en caída libre experimentan la misma aceleración independiente de su masa.
11. La velocidad que alcanza un cuerpo en caída libre sólo depende de la aceleración de la gravedad.
12. La velocidad en el punto más alto de una trayectoria parabólica es cero.
13. La posición que ocupa un proyectil durante su movimiento tiene una sola componente que está sobre el eje
y.
14. Problemas sobre Movimiento Parabólico
a. Un avión deja caer una bomba con velocidad de 100 m/s y recorre una distancia horizontal de 1000m
antes de llegar al suelo. La altura del avión es:
a. 500m b. 1000m c. 1414 m d. 5000m e. 10.000 m
b. La bomba lanzada por el avión del problema anterior llega al suelo con un ángulo de:
a. 37º b. 45º c. 53º d. 60º e. 90º
c. Se lanza una piedra desde un puente de 20 m arriba de un rio con una velocidad de 12 m/s y con un
ángulo de 45º con la horizontal. El alcance de la piedra es:
a. 8 m b. 12 m c. 15m d. 20m
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106 FISICA I
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15. Problemas sobre Movimiento Circular Uniforme
a. Si un objeto se mueve con velocidad de 6.0m/s a un ángulo de 37º en relación con el eje x. ¿Cuál es la
magnitud del componente x de la velocidad?
Fisica 4 ESO Movimiento circular uniforme Calcula la velocidad angular de la luna Enlace
b. Un disco de 33 y 1/3 de rpm cae sobre el soporte giratorio y acelera a su rapidez de operación en 0,42
s. Su aceleración angular de registro es:
7.5 rad/s2 b. 9 rad/s2 c. 8.3 rad/s2 d. 10 rad/s2
c. La aceleración angular para el disco anterior en ese tiempo es de:
2 rad/s2 b. 4 rad/s2 c 0 rad/s2 d. 1 rad/s2
d. Un cuerpo realiza 120 vueltas en un minuto, su frecuencia es;
a. 20 vueltas por segundo b. 120 vueltas por segundo
c. 2 vueltas por segundo d. 4 vueltas por segundo
e. 1 vuelta por segundo
e. El periodo del cuerpo del ejercicio anterior es:
a. 2 s b. 60 s c. 0.5 s d 4 s e 1 s
f. Un CD-ROM, que tiene un radio de 6 cm, gira a una velocidad de 2500 rpm.
Calcula:
a) El módulo de la velocidad angular en rad/s
107 107 107
107 FISICA I
TRANSVERSAL
b) El módulo de la velocidad lineal de su borde.
c) Su frecuencia.
16 Laboratorio experimental de movimiento circular uniforme
a. Coloca una moneda pequeña en la orilla de un disco giratorio de un tocadiscos. Mide y anota la distancia
R de la moneda al centro del disco y póngalo a funcionar. Usando un cronometro, mida y anote el tiempo
que tarda la moneda en dar 10 vueltas. Con base en esto Determine:
El periodo P de rotación de la moneda.
El número de revoluciones que realiza en un minuto. Compare su resultado con el número de
revoluciones que le indica el tocadiscos.
La velocidad angular w de la moneda.
La velocidad lineal v de la moneda.
La aceleración centrípeta ac de la moneda
b. Colocando la moneda en la circunferencia media del plato, de modo que el radio de la trayectoria sea
ahora de la mitad, Elabore una tabla de valores para P, w, v, y ac, serán: Mayores, menores ó iguales que
las anteriores del numeral 1. Presenta tu informe.
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108 FISICA I
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3.6.4 UNIDAD 3 DINÁMICA, TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA,
Trabajo, Potencia y Energia Enlace
Dinamica Fisica conceptos basicos 1 Enlace
109 109 109
109 FISICA I
TRANSVERSAL
3.6.5 RELACIÓN DE CONCEPTOS
Trabajo: En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo1 de
manera acelerada. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades.
Potencia: En física, potencia (símbolo P) es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.
Energía: El término energía (del griego ἐνέργεια enérgeia, ‘actividad’, ‘operación’; de ἐνεργóς [energós], ‘fuerza de acción’ o ‘fuerza trabajando’) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.
Energía Cinética: En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada.
Energía Potencial: En un sistema físico, la energía potencial es la energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración.
Dinámica: La dinámica es la rama de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento.
Fuerza: Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales.
Choques elásticos: En física, se denomina choque elástico a una colisión entre dos o más cuerpos en la que éstos no sufren deformaciones permanentes durante el impacto. En una colisión elástica se conservan tanto el momento lineal como la energía cinética del sistema, y no hay intercambio de masa entre los cuerpos, que se separan después del choque.
Choques inelásticos: Un choque inelástico es un tipo de choque en el que la energía cinética no se conserva. Como consecuencia, los cuerpos que colisionan pueden sufrir deformaciones y aumento de su temperatura. En
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110 FISICA I
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el caso ideal de un choque perfectamente inelástico entre objetos macroscópicos, éstos permanecen unidos entre sí tras la colisión. El marco de referencia del centro de masas permite presentar una definición más precisa.
Diagrama de cuerpo libre: Un diagrama de cuerpo libre es una representación gráfica utilizada a menudo por físicos e ingenieros para analizar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo libre. El diagrama de cuerpo libre es un elemental caso particular de un diagrama de fuerzas.
Inercia: En física, la inercia (del latín inertĭa) es la propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en su estado de reposo o movimiento, mientras la fuerza sea igual a cero, o la resistencia que opone la materia a modificar su estado de reposo o movimiento. Como consecuencia, un cuerpo conserva su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme si no hay una fuerza actuando sobre él.
Acción y reacción: Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.
Cantidad de Movimiento: La cantidad de movimiento, momento lineal, ímpetu o momentum es una magnitud física fundamental de tipo vectorial que describe el movimiento de un cuerpo en cualquier teoría mecánica.
Impulso: En mecánica, se llama Impulso a la magnitud física, denotada usualmente como I, definida como la variación en el momento lineal que experimenta un objeto físico en un sistema cerrado. El término difiere de lo que cotidianamente conocemos como impulso y fue acuñado por Isaac Newton en su segunda ley, donde lo llamó vis motrix, refiriéndose a una especie de fuerza del movimiento.
*Las definiciones anteriores fueron tomadas de: Wikipedia, la enciclopedia libre
3.6.6 OBJETIVO GENERAL
Determinar las características del estado de movimiento de los cuerpos y las relaciones entre fuerzas que actúan sobre cuerpos en reposo y en movimiento, evaluando además los conceptos de Trabajo, Potencia, Energía, Cantidad de Movimiento, impulso y Choques Elásticos e Inelásticos.
3.6.7 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Establecer las relaciones físicas a través de la toma de datos, conversión de unidades de medición, por
medio de factores de conversión, tablas y gráficos.
Describir el movimiento en una dirección, teniendo en cuenta los conceptos de trayectoria, velocidad,
aceleración, distancia y desplazamiento, identificando además los elementos del movimiento de
proyectiles y aplicando modelos matemáticos para la solución de problemas.
Aplicar correctamente los conceptos de Trabajo, Potencia y Energía, identificando además, las leyes que
rigen la dinámica del movimiento de los cuerpos y realizando problemas de aplicación en el entorno.
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111 FISICA I
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3.7 TEMA 1 DINÁMICA
A continuación se presenta, en un mapa conceptual y en una forma más amplia los elementos de la Dinámica que se trabajarán en el desarrollo de la unidad, por lo tanto realice un recorrido por el mismo para que visualice la relación de los conceptos a tratar.
3.8 TEMA 1 LEYES FUNDAMENTALES DE LA DINÁMICA
Definición
La dinámica es la parte de la mecánica que estudia las causas del movimiento. Estas causas, hacen referencia al estudio de las fuerzas a las que se someten los cuerpos.
Existen cuatro interacciones fundamentales que se combinan para formar las fuerzas que normalmente conocemos a nivel macroscópico y que estudiaremos más adelante. Estas interacciones son:
La fuerza gravitatoria,
La fuerza electromagnética,
La nuclear fuerte, y
La nuclear débil.
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112 FISICA I
TRANSVERSAL
Tomado de: https://lasmaravillasdelaciencia.wordpress.com/
Leyes de Newton
http://www.slideshare.net/ymilacha/m-a154-2007-02-s1-1-p-p-t
Estas leyes se basan en tres principios generales que rigen el movimiento de los cuerpos.
Estos principios generales están determinados por tres leyes fundamentales, conocidas como las leyes de Newton, estas son:
1 Ley de inercia
2 Ley de fuerza
3 Ley de acción-reacción
Fuerza gravitatoria
• Todos los cuerpos ejercen entre sí una fuerza de atracción por tener una masa distinta de cero.
Fuerza electromagnética
• Se da entre partículas cargadas eléctricamente y se expresa mediante la Ley de Coulomb.
Fuerza nuclear fuerte
• Es la responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos, que actúa de forma atractiva entre protones y neutrones.
Fuerza nuclear débil
• Se relaciona con la desintegración de los núcleos radiactivos y la fusión nuclear dada en el sol.
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113 FISICA I
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Primera Ley de Newton: Ley de inercia
Todo cuerpo se encuentra en reposo o en un movimiento con velocidad constante (aceleración cero), cuando la sumatoria de fuerzas sobre él es igual a cero (la fuerza neta es nula), también se pude enunciar de la siguiente manera:
“Todo cuerpo en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme continuará en ese estado mientras no haya un elemento externo que lo saque de él”.
Nota 1: Esta Resistencia de los cuerpos a cambiar su estado se llama Inercia. La medida de esta cualidad se denomina la masa del cuerpo y el agente capaz de vencer la inercia se conoce como FUERZA.
Nota 2: Pero sacar un cuerpo de su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme es acelerarlo, por ello se puede decir que la fuerza es lo que produce la aceleración.
Considere el siguiente ejemplo:
Tomado de: http://acer.forestales.upm.es/
Cuando el sujeto hace una fuerza menor o igual a la fricción de la mesa sobre el piso, no es posible
moverla. (Permanece en reposo)
Cuando el sujeto realiza una fuerza mayor y vence la fuerza de fricción sobre el piso, la fuerza total deja
de ser cero y por lo tanto la mesa se mueve, se acelera.
LEY DE ACCION Y REACCION: “Siempre que un cuerpo ejerza una fuerza (acción) sobre otro, este reacciona con una fuerza igual y opuesta sobre el primer cuerpo (reacción)”.
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114 FISICA I
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Ejemplo:
Dadas la masa y la aceleración que posee un cuerpo, determinar la fuerza que obra sobre él.
UN cuerpo de masa 8 Kg. tiene una aceleración de 6 2/ sm . ¿Qué fuerza actúa sobre él?
F=m.a implica 8Kg 6 2/ sm =48 Kg.
2/ sm =48N. Lo que quiere decir que una fuerza de 48 N.
Está acelerando el cuerpo de 8 Kg. a 6 2/ sm .
_____________________________________________________________
Segunda Ley de Newton: Ley de Fuerza
“Siempre que una fuerza diferente de cero actué sobre un cuerpo, se produce una aceleración en la dirección de la fuerza, que es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa del cuerpo”.
Esto es:
𝑭 𝜶 𝒂 (𝑭 Directamente proporcional a 𝒂).
𝒂 𝜶𝟏
𝒎 (𝒂 Inversamente proporcional a 𝒎)
Nota: Recuerde que la constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo.
Expresadas estas relaciones en forma de igualdad quedarían (recuerde magnitudes directa e inversamente proporcionales de la unidad # 1):
𝑭 = 𝒎.𝒂 O 𝒂 =𝑭
𝒎
o Unidades de Fuerza
Las unidades de fuerza son el producto de las unidades de masa por unidades de aceleración, así:
La masa se da en 𝑲𝒊𝒍𝒐𝒈𝒓𝒂𝒎𝒐𝒔 y la aceleración en 𝒎𝒔𝟐⁄ por lo tanto:
𝑭 = 𝒎.𝒂 → 𝑭 = [𝑲𝒈] [𝒎𝒔𝟐⁄ ]
[𝑲𝒈] [𝒎𝒔𝟐⁄ ] = 𝟏 𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏
Entonces, la unidad de fuerza en el Sistema Internacional se llama: Newton.
Nota: En el Sistema Cegesimal se da la Dina como unidad de medición de la Fuerza, está dada por:
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115 FISICA I
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𝟏 𝑫𝒊𝒏𝒂 = [𝒈] [𝒄𝒎
𝒔𝟐 ]
Dónde:
𝒈:𝒈𝒓𝒂𝒎𝒐𝒔
𝒄𝒎: 𝒄𝒆𝒏𝒕í𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔
𝒔: 𝑺𝒆𝒈𝒖𝒏𝒅𝒐𝒔
La equivalencia entre ambos sistemas está dada por la siguiente relación:
𝟏 𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏 = 𝟏𝟎𝟓 𝑫𝒊𝒏𝒂𝒔
Tomado de: http://leyesdelmovimientoasgp.blogspot.com/
Nota: Recuerde que tanto la fuerza como la aceleración son vectores.
Actividad: Utilizando factores de conversión, demuestre que:
𝟏 𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏 = 𝟏𝟎𝟓 𝑫𝒊𝒏𝒂𝒔
Nota: Se definirá una fuerza de suma importancia en la física como lo es el peso de los cuerpos, fuerza determinada por el efecto que ejerce la aceleración de la gravedad sobre la masa de los cuerpos, esto es:
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116 FISICA I
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La tierra ejerce sobre los cuerpos una fuerza, la cual se le denomina peso del cuerpo y es igual a la gravedad de la tierra por la masa del cuerpo.
Está determinada por:
𝑾 = 𝒎 ∗ 𝒈
Dónde:
𝑾:𝑷𝒆𝒔𝒐 (w: Weight: Peso en inglés)
𝒎:𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆𝒍 𝒄𝒖𝒆𝒓𝒑𝒐
𝒈:𝒈𝒓𝒂𝒗𝒆𝒅𝒂𝒅 = 𝟗. 𝟖𝟏𝒎𝒔𝟐⁄
El peso (del latín Pensum), se define como una medida de la Fuerza gravitatoria que actúa sobre un cuerpo.
Se representa como un vector determinado por su: Magnitud, Dirección y Sentido, aplicado en el Centro de Gravedad del cuerpo y dirigido en forma vertical hacia el centro de la tierra.
PESO: W= m. g.
𝑾 = 𝒎 ∗ 𝒈
Nota: Peso y masa son dos magnitudes físicas que tienden a confundirse y están bien diferenciadas:
MAGNITUD FÍSICA DEFINICIÓN
PESO No es una propiedad intrínseca del cuerpo, porque depende del campo gravitatorio en el lugar del espacio ocupado por el cuerpo.
MASA Es una propiedad intrínseca del cuerpo, determina la cantidad de materia del mismo y es independiente de la intensidad del campo gravitatorio y de cualquier otro efecto.
Cuerpo
117 117 117
117 FISICA I
TRANSVERSAL
3.8.1 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Un ascensor de 100kg sube con una aceleración de 2 m/s2 ¿Cuál debe ser la tensión del cable que lo sube?
Procedimiento: T
a. Gráficamente:
W=m*g
b. Analíticamente:
Para poder subir el cuerpo la tensión debe ser mayor que su peso
(𝑻 > 𝑷), por lo tanto se realiza la suma algebraica de las fuerzas, esto es:
Tensión (T) menos (-) peso (W)= Masa (m) por (*) aceleración (a).
Reemplazando se tiene que:
𝑻 − 𝒎 ∗ 𝒈 = 𝒎 ∗ 𝒂 → 𝑻 − 𝟏𝟎𝟎𝟎𝑵 = 𝟏𝟎𝟎 𝑲𝒈 ∗ 𝟐𝒎𝒔𝟐⁄ → 𝑻 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝑵 + 𝟐𝟎𝟎𝑵
𝑻 = 𝟏𝟐𝟎𝟎𝑵
Solución: La tensión del cable que sube el ascensor es de 1200N.
Tercera Ley de Newton: Ley de acción-reacción
Si sobre un cuerpo actúa una fuerza, éste realiza una fuerza de igual magnitud y dirección pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo.
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118 FISICA I
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Tomado de: http://leyesdelmovimientoasgp.blogspot.com/
3.8.2 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Hallar la aceleración que experimenta un bloque de 500 g de masa apoyado en una superficie horizontal que lo frena con una fuerza de 3 N al aplicarle una fuerza de 9 N. R/ En la segunda ley de Newton, F corresponde a la fuerza neta. En este caso además de la fuerza de 9N hay otra una fuerza que lo frena de 3N por lo tanto, tiene signo negativo.
𝑭 = 𝑚𝒂
∑𝑭 = 𝑚𝒂
𝟗𝑵 − 𝟑𝑵 = 𝑚𝒂
𝟔𝑵 = 𝑚𝒂
La masa está dada en gramos (g). De acuerdo a lo estudiado anteriormente, para que haya consistencia entre unidades es necesario expresar los 500 g como 0.5 kg.
𝟔𝑵 = (0.5𝑘𝑔)𝒂
𝒂 =𝟔𝑵
𝟎. 𝟓𝒌𝒈=
𝟔𝒌𝒈 ∙𝒎𝒔𝟐
𝟎. 𝟓𝒌𝒈= 𝟏𝟐
𝒎
𝒔𝟐
Suma de fuerzas
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3.9 TEMA 2 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE
Cuando se desea conocer el comportamiento de un sistema resulta muy cómodo y práctico realizar un dibujo de los vectores, representando cada una de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. A esto se le conoce como diagrama de cuerpo libre.
Algunas fuerzas importantes
Peso (W)
Es la fuerza de atracción que la Tierra ejerce sobre un cuerpo, debido a la acción de la gravedad. El vector del peso se dibuja siempre hacia abajo, en sentido sur y se calcula como el producto de la masa por la aceleración de la gravedad, que hemos tomado como 10m/s2.
𝒘 = 𝑚𝒈
3.9.1 EJERCICIO DE ENTRENAMIENTO
Tomado de: http://web.educastur.princast.es/
1. ¿A qué se debe que para una misma masa de 10kg, se mida con un dinamómetro una magnitud de fuerza
diferente?
2. Teniendo en cuenta la fórmula dada, calcule el peso de una persona cuya masa es 62kg.
Fuerza normal
Se da entre dos superficies en contacto. Esta fuerza es perpendicular a la superficie (es decir, forma un ángulo de 90 grados con esta).
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120 FISICA I
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Tomado de: http://modulofisica.blogspot.com/
Fuerza de fricción
Es la fuerza dada por una oposición al movimiento, generalmente por un coeficiente del terreno o superficie en el que se encuentre el cuerpo. La fuerza de rozamiento o fricción tiene igual dirección pero sentido opuesto al movimiento.
Tomado de: http://fisicasobreskate.blogspot.com/
Tensión
Generalmente, se habla de tensión cuando un cuerpo se encuentra sometido a la acción de la fuerza debido a una cuerda que lo sostiene o arrastra. Por ejemplo: En un sistema de poleas es muy común referirse a este tipo de fuerza.
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121 FISICA I
TRANSVERSAL
Tomado de: http://fisicacinematicadinamica.blogspot.com/
Estos son algunos pasos para tener en cuenta en la realización de problemas de fuerzas en dinámica, disponible en http://acer.forestales.upm.es/ de la Universidad Politécnica de Madrid.
1. Hacer un diagrama por separado de los distintos cuerpos que intervienen en el problema y dibujar las fuerzas que actúan sobre cada uno de ellos.
2. Expresar la ley de Newton en forma vectorial para cada cuerpo.
3. Elegir un sistema de ejes cartesianos para cada cuerpo. Si es posible, conviene hacer coincidir uno de ellos con la dirección del vector aceleración y tomar como positivo el sentido de dicho vector.
4. Proyectar las fuerzas según los ejes elegidos.
5. Aplicar la segunda ley de Newton para cada cuerpo en cada eje, teniendo en cuenta el criterio de signos. Si hemos seguido la recomendación del paso 3, las fuerzas que vayan en el sentido de la aceleración serán positivas y las opuestas negativas.
6. Resolver el sistema de ecuaciones.
7. Comprobar que el resultado tiene sentido: órdenes de magnitud, signos de las magnitudes, entre otros.
3.9.2 EJERCICIOS DE APRENDIZAJE
1. Dibujar el diagrama de fuerzas para empujar un bloque hacia la derecha sobre una superficie con fricción.
Procedimiento
De acuerdo a la teoría estudiada, resulta sencillo dibujar los vectores de fuerzas, así:
122 122 122
122 FISICA I
TRANSVERSAL
Tomado: http://www.jfinternational.com/
Dónde:
𝑭:𝑭𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒂𝒑𝒍𝒊𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒅𝒆𝒔𝒑𝒍𝒂𝒛𝒂𝒓 𝒆𝒍 𝒄𝒖𝒆𝒓𝒑𝒐
𝒇: 𝑭𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆 𝒇𝒓𝒊𝒄𝒄𝒊ó𝒏 ( 𝑠𝑒 𝑜𝑝𝑜𝑛𝑒 𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜)
𝑵:𝑭𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝑵𝒐𝒓𝒎𝒂𝒍
𝑾 = 𝒎𝒈:𝑷𝒆𝒔𝒐 𝒅𝒆𝒍 𝒄𝒖𝒆𝒓𝒑𝒐
𝒇 = 𝝁 𝑵 Donde 𝝁: 𝑪𝒐𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝒇𝒓𝒊𝒄𝒄𝒊ó𝒏
2. Suponga que el bloque del ejercicio anterior tiene una masa de 2.5 kg y el coeficiente de fricción de la superficie es 0.3. Si la fuerza F es de 8N, ¿Cuál es el valor de la aceleración de dicho bloque?
Procedimiento
a. Como se observa en el diagrama no sólo basta con despejar una ecuación, pues ya se tiene en cuenta la fuerza de fricción. Por lo tanto, vamos a realizar en cada eje (tanto en x como en y)
∑𝑭𝒙 = 𝑚𝒂𝒙
∑𝑭𝒚 = 0 En el eje y no hay aceleración
𝑭 − 𝒇 = 𝑚𝒂𝒙
b. La fuerza de fricción 𝒇 va hacia la izquierda, por la tanto, tiene signo negativo. Reemplazando los datos del problema, se tiene:
𝟖 − 𝒇 = (2.5)𝒂𝒙 *
En * tenemos dos incógnitas: la fuerza de fricción f y la aceleración, pero no se ha utilizado el dato del coeficiente de fricción el cual es 0.3. Utilizamos el hecho de que 𝒇 = 𝝁 𝑵
c. Debemos hallar la fuerza normal (𝑵) que en este caso es igual al peso, pues no hay aceleración en el eje y como se explicó anteriormente.
123 123 123
123 FISICA I
TRANSVERSAL
∑𝑭𝒚 = 0
𝑵 − 𝒎𝒈 = 0
𝑵 = 𝑚𝑔
𝑵 = (2.5𝑘𝑔)(10𝑚/𝑠2) = 25𝑁
d. Por lo tanto, podemos hallar la fuerza de fricción como:
𝐟 = μN
𝐟 = (0.3)(25N) = 7.5N
d. Reemplacemos este valor en *
𝟖 − 𝟕. 𝟓 = (2.5)𝒂𝒙
𝒂𝒙 = 𝟎. 𝟐𝒎/𝒔𝟐
_________________________________________________________________
3. En el siguiente diagrama de planos inclinados (sin fricción), encontrar la aceleración (𝒂) de los cuerpos
y la tensión (𝑻) de la cuerda que los sujeta, determinando además hacia donde se está moviendo el
a. Tablas de Datos
– Datos conocidos:
𝒎𝟏 = 𝟔𝟎 𝒌𝒈
𝒎𝟐 = 𝟒𝟎 𝑲𝒈
𝜽 = 𝟑𝟎𝟎
124 124 124
124 FISICA I
TRANSVERSAL
𝜷 = 𝟔𝟎𝟎
– Datos desconocidos:
𝑻 =¿ ?
𝒂 =¿ ?
b. Procedimiento
– Se trazan todas las fuerzas que actúan sobre cada uno de los cuerpos y se determinan las ecuaciones
para cada uno de ellos por separado, esto es:
Ecuaciones:
∑𝑭𝒙 : 𝑻 − 𝒘𝟏 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎 = 𝒎𝟏𝒂, pero 𝒘𝟏 = 𝒎𝟏𝒈
Reemplazando: 𝑻 − 𝒎𝟏𝒈 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎 = 𝒎𝟏𝒂 (𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝟏)
∑𝑭𝒚 : 𝑵 − 𝒎𝟏𝒈 𝒄𝒐𝒔𝟑𝟎𝟎 = 𝟎 (𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝟐)
125 125 125
125 FISICA I
TRANSVERSAL
Ecuaciones:
∑𝑭𝒙 : 𝑻 − 𝒘𝟐 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎 = −𝒎𝟐𝒂, pero 𝒘𝟐 = 𝒎𝟐𝒈
Reemplazando:𝑻 − 𝒎𝟐𝒈 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎 = −𝒎𝟐𝒂 (𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝟑)
Nota 1: Para la sumatoria de fuerzas en el eje x (plano de desplazamiento de los cuerpos) se toma la función trigonométrica 𝑺𝒆𝒏 𝜽 𝑜 𝑺𝒆𝒏 𝜷 según sea el plano y para la sumatoria de fuerzas en el eje y se toma 𝑪𝒐𝒔 𝜽 𝑜 𝑪𝒐𝒔 𝜷, cambiando de esta forma las coordenadas de un plano horizontal a un plano inclinado, además tener presente que son movimientos que se dan en sentido contrario, por lo tanto, arbitrariamente, a uno se le asigna +𝒎𝟏𝒂 y al otro −𝒎𝟐𝒂
Nota 2: Para resolver el problema se deben tomar las ecuaciones donde haya movimiento, esto es la ecuación 1 y la ecuación 3.
Recuerde que: el movimiento en este problema se está dando sobre el eje x.
𝑻 − 𝒎𝟏𝒈 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎 = 𝒎𝟏𝒂 (𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝟏)
𝑻 − 𝒎𝟐𝒈 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎 = −𝒎𝟐𝒂 (𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝟑)
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126 FISICA I
TRANSVERSAL
Se despeja a o T de ambas ecuaciones (Se tienen dos ecuaciones con dos incógnitas: a y T):
– Despejando T de ambas ecuaciones se tiene:
𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝟏: 𝑻 − 𝒎𝟏𝒈 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎 = 𝒎𝟏𝒂
𝑻 = 𝒎𝟏𝒂 + 𝒎𝟏𝒈 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎 (Ecuación 5)
𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝟑: 𝑻 − 𝒎𝟐𝒈 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎 = −𝒎𝟐𝒂
𝑻 = −𝒎𝟐𝒂 + 𝒎𝟐𝒈 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎 (Ecuación 6)
– Se igualan las ecuaciones 5 y 6:
𝒎𝟏𝒂 + 𝒎𝟏𝒈 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎 = −𝒎𝟐𝒂 + 𝒎𝟐𝒈 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎
– Se despeja la incógnita, que en este caso es a:
𝒎𝟏𝒂 + 𝒎𝟐𝒂 = 𝒎𝟐𝒈 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎 − 𝒎𝟏𝒈 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎
– Sacando factor común 𝒂:
𝒂 (𝒎𝟏 + 𝒎𝟐) = 𝒎𝟐𝒈 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎 − 𝒎𝟏𝒈 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎
– Despejando 𝒂:
𝒂 = 𝒎𝟐𝒈 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎−𝒎𝟏𝒈 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎
𝒎𝟏+𝒎𝟐 Reemplazando los datos conocidos, se tiene que:
𝒂 = 𝟒𝟎𝑲𝒈 ∗ 𝟗. 𝟖𝟏𝒎
𝒔𝟐⁄ ∗ 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎 − 𝟔𝟎𝑲𝒈 ∗ 𝟗. 𝟖𝟏𝒎𝒔𝟐⁄ 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎
𝟔𝟎𝑲𝒈 + 𝟒𝟎𝑲𝒈
𝒂 = 𝟒𝟎𝑲𝒈 ∗ 𝟗. 𝟖𝟏𝒎
𝒔𝟐⁄ ∗ 𝟎. 𝟖𝟔𝟔 − 𝟔𝟎𝑲𝒈 ∗ 𝟗. 𝟖𝟏𝒎𝒔𝟐⁄ ∗ 𝟎. 𝟓
𝟔𝟎𝑲𝒈 + 𝟒𝟎𝑲𝒈
𝒂 =𝟑𝟑𝟗, 𝟖𝟏𝟖𝒎
𝒔𝟐⁄ − 𝟐𝟗𝟒, 𝟑𝒎𝒔𝟐⁄
𝟏𝟎𝟎→ 𝒂 =
𝟒𝟓, 𝟓𝟐𝒎𝒔𝟐⁄
𝟏𝟎𝟎→
𝒂 = 𝟎, 𝟒𝟓𝟓𝒎𝒔𝟐⁄
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127 FISICA I
TRANSVERSAL
Nota: Como la aceleración dio positiva, quiere decir que el sistema se está moviendo de izquierda a derecha.
– Para obtener T, se reemplaza este valor de a en las ecuaciones 5 o 6.
Nota: Para demostrar que la Tensión es la misma, se reemplazará en ambas ecuaciones.
Nota: Para demostrar que la Tensión es la misma, se reemplazará en ambas ecuaciones.
En la ecuación 5:
𝑻 = 𝒎𝟏𝒂 + 𝒎𝟏𝒈 𝒔𝒆𝒏𝟑𝟎𝟎
𝑻 = 𝟔𝟎 𝑲𝒈 ∗ 𝟎, 𝟒𝟓𝟓 + 𝟔𝟎 𝒌𝒈 ∗ 𝟗, 𝟖𝟏𝒎
𝒔𝟐∗ 𝑺𝒆𝒏 𝟑𝟎𝟎 → 𝑻 = 𝟐𝟕, 𝟑 𝑵 + 𝟐𝟗𝟒, 𝟑 𝑵 →
𝑻 = 𝟑𝟐𝟏, 𝟔 𝑵
En la ecuación 6:
𝑻 = −𝒎𝟐𝒂 + 𝒎𝟐𝒈 𝒔𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎
𝑻 = −𝟒𝟎 𝑲𝒈 ∗ 𝟎, 𝟒𝟓𝟓𝒎
𝒔𝟐+ 𝟒𝟎 𝒌𝒈 ∗ 𝟗, 𝟖𝟏
𝒎
𝒔𝟐∗ 𝑺𝒆𝒏 𝟔𝟎𝟎 → 𝑻 = −𝟏𝟖, 𝟐𝑵 + 𝟑𝟑𝟗, 𝟖𝟏𝟗𝑵
𝑻 = 𝟑𝟐𝟏, 𝟔 𝑵
Nota 1: Se obtiene el mismo valor para la Tensión reemplazando en cualquiera de las dos ecuaciones, en caso contrario hay que revisar nuevamente los planteamientos realizados y determinar cuál es la causa del error.
Nota 2: Los dos cuerpos ejercen la misma Tensión sobre la cuerda.
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128 FISICA I
TRANSVERSAL
Actividad: Realice el mismo problema si en la masa 1 se da una fricción con un coeficiente de 0.3.
3.9.3 EJERCICIOS DE ENTRENAMIENTO
Tomado de: http://www.soloarquitectura.com
a. La masa 1 es de 4kg, la masa 2 es de 5kg. El coeficiente de fricción de la mesa es de 0.28. Halle la aceleración del sistema.
b. Resolver el problema si no existe fricción sobre la mesa (Es una superficie lisa).
2 El esquema de la derecha, corresponde a:
A. Ley de inercia.
B. Ley de acción-reacción.
C. Ley de fuerza.
D. Ley de conservación.
4. Manuela viajó desde Ecuador hasta la Antártica (donde la aceleración de la gravedad es mayor). Respecto
de la masa y peso de su cuerpo, podemos afirmar que:
A. Su masa aumentó y su peso permaneció constante.
B. Su peso disminuyó y su masa permaneció constante.
C. Su peso aumentó y su masa permaneció constante.
D. Su peso y su masa permanecieron constantes.
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129 FISICA I
TRANSVERSAL
5. En la siguiente situación Ana y Juan, ejercen fuerzas de 12.5N (cada uno) como se muestra en la figura.
La fuerza neta ejercida sobre la caja es:
a) ON
b) 12.5N
c) -25N
d) 25N
6. Una grúa levanta una caja que pesa 300 (N) con una velocidad constante de 1 (m/s). ¿Cuál es la fuerza
que tiene que ejercer la grúa para levantar esta misma caja con una velocidad constante de 3 (m/s)?
A. Los mismos 300N, debido a que la aceleración se triplica, al triplicar la velocidad.
B. Los mismos 300 N, debido a que la aceleración sigue siendo cero (velocidad constante).
C. 900N, porque si la velocidad es el triple, la fuerza que se debe ejercer es el triple.
D. -900N, porque debe ser en dirección contraria y al ser la velocidad el triple, la fuerza es el triple también
7. Si se desprecia la fricción en la polea y la masa m, tiene un peso -W. Cuál debe ser la fuerza F para que
la aceleración en el sistema sea nula?
A. -W
B. W
C. 9.8N
D. -9.8N
8. Para el mismo caso de la polea, si la magnitud de la fuerza F es menor al peso, es muy probable que:
A. El bloque de masa m permanezca en reposo.
B. El bloque de masa m, se acelere hacia arriba.
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130 FISICA I
TRANSVERSAL
C. El bloque de masa m, caiga debido a su peso.
D. No se puede afirmar nada, sin conocer el valor de la masa m.
9. Si sobre un cuerpo la fuerza neta resultante es nula, es posible que:
A. Esté en reposo.
B. Se mueva con velocidad constante.
C. Esté en movimiento y se detenga.
D. A y B son correctas.
10. Realiza un diagrama de fuerzas para cada masa:
a. Si la superficie inclinada es lisa.
b. Si la superficie inclinada tiene fricción.
3.9.4 TEMA 3 TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA, IMPULSO Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO, CHOQUES ELÁSTICOS E INELÁSTICOS
http://educaplus.org/play-244-Energía-potencial-gravitatoria.html
TRABAJO:
La Física Mecánica determina que:
Una Fuerza realiza un trabajo cuando altera (cambia) el estado del movimiento de un cuerpo
Nota 1: El Trabajo es una magnitud escalar y se representa por W (que es la letra inicial de trabajo en inglés Work).
131 131 131
131 FISICA I
TRANSVERSAL
Nota 2: El trabajo que ejerce la fuerza sobre un cuerpo es igual a la energía necesaria para desplazarlo en forma acelerada.
El trabajo realizado por una 𝑢𝑛𝑎 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝐹, aplicada a un cuerpo que experimenta
𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑(d) está dado por:
𝑾 = 𝑭.𝒅 . 𝐜𝐨𝐬 𝜽
Esto es, Fuerza aplicada por la distancia recorrida y multiplicado por el coseno del ángulo realizado con el desplazamiento horizontal.
Unidades de Trabajo
En el Sistema Internacional o en el sistema MKSC, está dada por:
[𝑾] = [𝑵][𝒎] = [𝑱]
Dónde:
𝑻: 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜
𝑵:𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 = 𝐾𝑔 ∗𝑚
𝑠2
𝒎:𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝑱: 𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆 (𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑦 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎)
En el sistema Internacional se define un 𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆 como:
El trabajo realizado por una fuerza de un Newton que actúa en la dirección del movimiento, cuando el desplazamiento es un metro.
Nota: En el sistema cegesimal se da como:
[𝑾] = [𝒅𝒊𝒏𝒂][𝒄𝒎] = [𝑬𝒓𝒈𝒊𝒐]
Recuerde que:
𝟏 𝒅𝒊𝒏𝒂 = 𝟏𝒈 ∗𝒄𝒎
𝒔𝟐
132 132 132
132 FISICA I
TRANSVERSAL
Actividad: Demuestre, utilizando conversión de unidades que:
𝟏 𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆 = 𝟏𝟎𝟕𝑬𝒓𝒈𝒊𝒐𝒔
Nota 1: Cuando la fuerza es perpendicular al desplazamiento, el trabajo realizado sobre el cuerpo es CERO dado que:
𝜽 = 𝟗𝟎𝟎 𝒚 𝑪𝒐𝒔 𝟗𝟎𝟎 = 𝟎
Nota 2: El trabajo total ejercido sobre un cuerpo, es igual a la suma de todos los trabajos realizados sobre el mismo, esto es:
𝑊𝑡 = ∑𝑊𝑖
𝑛
𝑖=1
3.9.5 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Un bloque es empujado sobre una superficie horizontal mediante una fuerza también horizontal de 10N. Hallar el trabajo realizado si el desplazamiento fue de 2m.
Procedimiento
a. Dado que el desplazamiento es horizontal y de igual sentido, el ángulo con la horizontal es de 0°. Por lo tanto el trabajo está dado por:
𝑾 = 𝑭.𝒅 . 𝐜𝐨𝐬 𝜽
b. Reemplazando los valores conocidos, se tiene que:
𝑾 = 𝑭.𝒅 . 𝐜𝐨𝐬 𝜽 → 𝑻 = 𝟏𝟎 𝑵. 2m. 𝒄𝒐𝒔 𝟎𝟎 → 𝑾 = 𝟐𝟎 𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆
Nota 1: Sostener un cuerpo levantado durante un tiempo no produce ningún trabajo ya que su desplazamiento es nulo.
Nota 2: Si se transporta un objeto horizontalmente levantado, el trabajo será nulo.
133 133 133
133 FISICA I
TRANSVERSAL
POTENCIA
Cuando se realiza un trabajo, es importante tener en cuenta el tiempo invertido realizando dicho trabajo, a esto se le llama Potencia es decir:
La potencia es la rapidez con la que se realiza un trabajo.
Se define la potencia como:
𝑷 =𝑻𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐
𝒖𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐
Esto es: Potencia es el trabajo realizado en la unidad de tiempo.
Unidades de potencia
En el Sistema Internacional (MKSC) está dado por:
𝑃 =[𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜]
[𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜]=
[𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒]
[𝑠]= [𝑊𝑎𝑡𝑡]
Nota: La unidad de potencia está definida como 𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆/𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏𝒅𝒐 igual 𝑾𝒂𝒕𝒕 o 𝑽𝒂𝒕𝒊𝒐 en honor a James Watt, quien desarrollo también la máquina de vapor.
Se define entonces un Watt como:
La potencia que desarrolla una máquina que realiza un trabajo de un Joule en un
segundo.
3.9.6 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Un elevador levanta una carga de 300N hasta una altura de 50m en 20s. ¿Cuál es la potencia desarrollada por el motor accionado por el elevador?
Procedimiento
a. Se calcula el trabajo realizado:
𝑾 = 𝑭.𝒅 . 𝐜𝐨𝐬 𝜽, de esta ecuación se conocen los siguientes datos:
𝑭 = 𝟑𝟎𝟎 𝑵
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134 FISICA I
TRANSVERSAL
𝒅 = 𝟓𝟎 𝒎 (𝒂𝒍𝒕𝒖𝒓𝒂)
𝜽 = 𝟗𝟎𝟎 El elevador asciende en forma perpendicular).
Reemplazando estos valores se tiene:
𝑾 = 𝑭.𝒅. 𝐜𝐨𝐬 𝜽 → 𝑾 = 𝟑𝟎𝟎 𝑵. 𝟓𝟎 𝒎. 𝑪𝒐𝒔 𝟗𝟎𝟎 → 𝐖 = 𝟏𝟓𝟎𝟎𝟎 𝐉𝐨𝐮𝐥𝐞
Recuerde que: 𝑪𝒐𝒔 𝟗𝟎𝟎 = 𝟏
b. Reemplazando en la ecuación de Potencia:
𝑷 =𝑻𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐
𝒖𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐→ 𝑷 =
𝑾
𝒕→ 𝑷 =
𝟏𝟓𝟎𝟎𝟎 𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆
𝟐𝟎 𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏𝒅𝒐𝒔
𝑷 = 𝟕𝟓𝟎 𝑾𝒂𝒕𝒕.
__________________________________________________________________
ENERGIA
Cuando un cuerpo puede realizar un trabajo, se dice que tiene Energía. Por lo tanto:
Energía es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo.
La capacidad para realizar un trabajo, se genera por diversas causas:
Por la temperatura que tiene un cuerpo y entonces se habla de energía térmica,
Por la configuración atómica y se habla de energía atómica,
Por la posición que tenga el cuerpo y se habla de energía potencial,
Por el movimiento y se habla de energía cinética.
Nota: Se define la energía potencial (𝑬𝒑), como la energía que posee un cuerpo en virtud de su altura
(posición), está dada por:
𝑬𝒑 = 𝒎.𝒈. 𝒉
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135 FISICA I
TRANSVERSAL
Nota: Se define la energía cinética(𝑬𝒌), como la energía que posee un cuerpo en virtud de su velocidad está dada por:
𝑬𝒌 =𝟏
𝟐𝒎. 𝒗𝟐
3.9.7 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
Un auto posee una masa de 1200kg y viaja a 72 k/h. Determine su energía cinética.
Procedimiento
a. La energía cinética que posee un cuerpo se determina en virtud de su movimiento.
b. Se realiza la conversión de unidades:
𝑣 = 72𝐾𝑚
ℎ×
103𝑚
1 𝐾𝑚×
1 ℎ
3600 𝑠=
72000𝑚
3600𝑠→ 𝒗 = 𝟐𝟎𝒎
𝒔⁄
c. Reemplazando en la ecuación de Energía Cinética, se tiene que:
𝑬𝒌 =𝟏
𝟐𝒎. 𝒗𝟐 → 𝑬𝒌 =
𝟏
𝟐× 𝟏𝟐𝟎𝟎𝑲𝒈 × (𝟐𝟎𝒎
𝒔⁄ )𝟐 → 𝑬𝒌 =𝟏𝟐𝟎𝟎𝑲𝒈 × 𝟒𝟎𝟎𝒎𝟐
𝒔𝟐⁄
𝟐→
𝑬𝒌 = 𝟐𝟒𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆
3.9.8 EJERCICIOS DE ENTRENAMIENTO
Resuelva los siguientes ejercicios teniendo en cuenta los conceptos trabajados y los ejercicios de aprendizaje resueltos, en caso de dificultades póngase en contacto con sus compañeros de proceso y en caso de que persista la duda comuníquese con su tutor por alguno de los medios acordados desde la tutoría.
1. Varios hombres suben un escritorio que tiene una masa de 120Kg hasta un tercer piso de un edificio que
mide 8.40m Calcular el trabajo realizado y la potencia desarrollada, si se demoran 240s en realizar el
trabajo.
R/ T= 9848.4 Joule ; P= 41.16 Watt
2. Un motor tiene una potencia de 20 KW. Determine la velocidad subirá una plataforma que tiene una
masa de 800Kg.
R/ V= 2.55m/s
136 136 136
136 FISICA I
TRANSVERSAL
3. Un hombre arrastra un bulto de sal de 60Kg un espacio de 8m con una fuerza de 30N y luego lo levanta
hasta un camión de 70cm de altura. Calcular el trabajo realizado por el hombre y la potencia desarrollada
si se demora 3 minutos para hacer el proceso.
R/ 660 Joule; 3.62Watt
4. Un ascensor levanta 6 pasajeros a una altura de 30 m en un minuto, cada pasajero tiene una masa de
65Kg y el ascensor tiene una masa de 900 Kg. Calcular la potencia desarrollada por el motor.
R/ 6321Watt
5. ¿Qué energía cinética posee un cuerpo de 20Kg que lleva una velocidad de 9Km/h?
R/62.5 Joule
6. ¿Qué trabajo se debe realizar para duplicar la velocidad de un cuerpo de 8Kg que viaja a la velocidad de
6 m/s?
R/432 Joule.
__________________________________________________________________
Impulso y cantidad de movimiento
http://educaplus.org/play-317-Impulso-mecánico.html
Este tema tiene como objetivos:
Identificar los conceptos de impulso y cantidad de movimiento.
Diferenciar entre las fuerzas internas y externas de un objeto.
Aplicar la ley de conservación de la cantidad de movimiento a la solución De problemas.
El IMPULSO: es el realizado por una fuerza que obra sobre un cuerpo, y se define como el producto de la fuerza por su tiempo de acción.
𝐼 = ��𝑡
CANTIDAD DE MOVIMIENTO: Se define como el producto de la masa del cuerpo por su velocidad:
𝑪𝑴 = �� = 𝒎��
http://educaplus.org/play-316-Cantidad-de-movimiento.html
137 137 137
137 FISICA I
TRANSVERSAL
Si se tiene un cuerpo de masa (m), con una velocidad 𝒗𝒊 el cual recibe la acción de una fuerza �� durante un
tiempo (t), entonces, por la segunda ley de Newton se tiene que: 𝑎 =𝐹
𝑚, luego:
𝑣𝑓 = 𝑣𝑖 + 𝑎 𝑡 → 𝑣𝑓 = 𝑣𝑖 + (𝐹
𝑚)𝑡 → (𝑣𝑓 − 𝑣𝑖 )𝑚 = 𝐹 𝑡 → 𝑃𝑓 − 𝑃𝑖 = 𝐹 𝑡
Pero 𝐹 𝑡 = 𝐼 Lo que quiere decir que el impulso es igual al cambio en la cantidad de movimiento
En general, en un sistema en el cual se da la interacción de varios cuerpos, la cantidad de movimiento del sistema, antes y después de la interacción es constante.
3.9.9 EJERCICIOS DE APRENDIZAJE
1. Un hombre de masa 60 kg, parado sobre unos patines, lanza hacia adelante un balón de 5kg con una velocidad de 30 m/s. Si inicialmente estaba en reposo, determine la velocidad con la que se mueve después del lanzamiento.
Procedimiento
La cantidad de movimiento antes del lanzamiento es cero; Luego después del lanzamiento también es cero en virtud de la conservación de la cantidad de movimiento por lo tanto se tiene que:
𝑚ℎ𝑉ℎ + 𝑚𝑏𝑉𝑏 = 0 → 60𝑘𝑔𝑽𝒉 + 5𝑘𝑔 × 30𝑚/𝑠 = 0
Despejando:
𝑽𝒉 =−5𝐾𝑔 × 30𝑚
𝑠⁄
60𝐾𝑔→ 𝑽𝒉 = −2.5𝑚
𝑠⁄
El signo menos quiere decir que el hombre se mueve en dirección contraria al balón con una v=2.5m/s
1. Un auto de 1200 kg se mueve a 36 k/h , choca contra una pared y se detiene en 0.02 s. Determinar:
a. La variación en la cantidad de movimiento del auto
b. El impulso ejercido por la pared sobre el auto.
Procedimiento
a. Se calcula la cantidad de movimiento (P):
138 138 138
138 FISICA I
TRANSVERSAL
𝑃 = 𝑚(𝑉𝑓 − 𝑉𝑖) = 1200𝑘𝑔(0 − 10𝑚/𝑠) = −𝟏. 𝟐 × 𝟏𝟎𝟒𝒌𝒈 .𝒎/𝒔
b. Se calcula el Impulso (I):
𝑰 = −𝟏. 𝟐 × 𝟏𝟎𝟒𝑵. 𝒔
Pues la variación en la cantidad de movimiento es igual al impulso y sus unidades en el sistema internacional en el Newton por Segundo.
Choques elásticos e inelásticos
http://educaplus.org/play-245-Choque-elástico.html
http://educaplus.org/play-246-Choque-inelástico.html
Los objetivos de este tema son los siguientes:
Diferenciar entre choques elásticos e inelásticos.
Determinar la cantidad de movimiento en los choques inelásticos.
Determinar las velocidades adquiridas por los cuerpos después de las colisiones.
En todo choque o interacción se conserva la cantidad de movimiento, est es:
“La cantidad de movimiento total antes del choque es igual a la cantidad de movimiento total después del choque”, Este principio se conoce como “Principio de la conservación de la energía”.
Nota 1: En los choques elásticos, se conserva la energía cinética. Cuando hay colisión entre partículas, la energía cinética total nunca se aumenta, sino que tiende a disminuir a consecuencia del choque, pues esta puede tener en parte una transformación en forma de calor.
Nota 2: Cuando en las colisiones no se conserva la energía cinética totalmente, se les da el nombre de Choques Inelásticos.
139 139 139
139 FISICA I
TRANSVERSAL
Nota 3: Los choques que se suceden a nivel atómico son Choques Inelásticos, debido a la gran liberación de energía que se produce en el interior de estos núcleos atómicos.
3.9.10 EJERCICIO DE APRENDIZAJE
A continuación se presenta un ejemplo modelo de choque entre dos cuerpos en los cuales se produce un choque perfectamente inelástico, pues permanecen unidos después del choque y esto es considerado dentro de los modelos de choques inelásticos.
Un cuerpo de masa 4kg viaja hacia la izquierda a 10 m/s; y otro cuerpo de masa 10 kg viaja a la derecha a 3 m/s. Determine la velocidad de los cuerpos después del choque si permanecen unidos después de la colisión.
Procedimiento
Cantidad de movimiento antes del choque igual a cantidad de movimiento después del choque, esto es:
𝑚1𝑣1 + 𝑚2𝑣2 = (𝑚1 + 𝑚2)𝑣𝑓
Reemplazando los valores conocidos, se tiene que:
4𝑘𝑔(−10𝑚/𝑠) + 10𝑘𝑔(3𝑚/𝑠) = 14𝑘𝑔(𝑣𝑓) → 𝑣𝑓 = −0.71𝑚/𝑠
Nota: Esto quiere decir que esa velocidad después de la colisión es hacia la izquierda.
3.9.11 EJERCICIOS DE ENTRENAMIENTO
Resuelva los siguientes ejercicios teniendo en cuenta los conceptos trabajados y los ejercicios de aprendizaje resueltos, en caso de dificultades póngase en contacto con sus compañeros de proceso y en caso de que persista la duda comuníquese con su tutor por alguno de los medios acordados desde la tutoría.
1. Sobre un cuerpo de 280 gr el cual está en reposo se ejerce un impulso de 5.4 N. s. Determine la
velocidad que adquiere el cuerpo.
2. Sobre un cuerpo de 20gr en reposo actúa una fuerza de 3N, en una distancia de 20m. hallar:
a. El impulso que actúa sobre el cuerpo
b. La cantidad de movimiento que adquiere el cuerpo.
3. Se dispara una bala desde un fusil de masa 90 gr, si la velocidad con la que sale la bala es de 300m/s,
determine la velocidad de retroceso del fusil.
R/ 16.16m/s.
4. Para un auto de masa 1200gr que se mueve a 36k/h determine su cantidad de movimiento.
140 140 140
140 FISICA I
TRANSVERSAL
R/ 12000kg m/s
5. Determine la cantidad de movimiento para un auto de masa M y velocidad V, cundo duplica su
velocidad.
R / Doble cantidad de movimiento. (2mv)
6. Un vehículo viaja a 20 m/s choca y engancha otro que está en reposo continuando los dos con una
velocidad de 16 m/s. Si la cantidad de movimiento del sistema es de 128 kg. m / s. Determine la masa
de cada cuerpo.
R/ 𝑚1 = 6.4𝑘𝑔 𝑚2 = 1.6𝑘𝑔
7. Dos carros se mueven en sentido contrario, el uno con masa tres veces la del otro y la velocidad del
segundo es la tercera parte de la del primero. Halle la velocidad de cada uno después de la interacción.
R / 0 m/s.
8. Un automóvil de 1450 kg, se mueve con una velocidad de 90 k/h. Un camión de 2175 kg se acerca en
sentido contrario. Si ambos vehículos quedan quietos después del choque. Determine la velocidad con
la que se desplazaba el camión.
R/ 60 k/h.
9. Una esfera de 6kg se mueve con velocidad de 10m/s y choca con otra esfera de 4kg, la cual se encuentra
en reposo. Determine las velocidades después del choque, si este es perfectamente elástico.
R/ 𝑣1 = 12𝑚
𝑠 𝑣2 = 2
𝑚
𝑠
(Sugerencia: Plantee un sistema de 2x2 con la fórmula de conservación de cantidad de movimiento antes del choque y después del choque y luego con la energía cinética antes del choque y después del choque).
LABORATORIO:
Cuelgue sirviéndose de dos hilos, en forma de V una esfera dura (metal o madera). Monte sobre una tabla dos péndulos iguales de esa forma (en V).
Aleje la esfera que la puede llamar A de la esfera B. Al soltarlas se chocan las esferas.
Trate de medir la altura aproximada que alcanza B después del choque. ¿Esta altura es mucho mayor, mucho menor ó prácticamente igual a la altura de donde partió? Repita varias veces este experimento para obtener mejores datos.
Con base en sus observaciones diría UD que ¿hubo conservación de la energía cinética durante la colisión de A con B? ¿Cómo se clasificaría este choque?
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Observe que le sucede a la esfera A inmediatamente después del impacto. ¿Su observación confirma el resultado obtenido antes? Presente su informe.
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4 PISTAS DE APRENDIZAJE
Recuerde que: Se considera que la materia está compuesta de un manojo de partículas fundamentales
y que todos los cuerpos vivientes e inertes están hechos de diferentes grupos de ordenamiento de tales
partículas.
Tres de estas partículas fundamentales son importantes por su presencia en muchos fenómenos comunes:
Electrones
Protones, y
Neutrones.
Estas partículas están presentes en grupos bien definidos llamados Átomos, con los protones y neutrones situados en una región central muy pequeña llamada Núcleo.
Tenga presente que: Nota: Dada
- Gravedad (g);
- Cohesión©=fuerza de amarre;
- Repulsión®: fuerza de separación:
La relación que se da entre los diferentes estados de la materia y estos conceptos, está dada de la siguiente forma:
f. En el Estado Sólido: 𝑪 > 𝒈 > 𝒓
g. En el Estado Líquido:𝒈 > 𝑪 > 𝒓
En el Estado Gaseoso: 𝒈 > 𝒓 > 𝑪
Recuerde que: En la Notación Científica:
Nota 1: Cuando la coma se desplaza hacia la izquierda, para obtener el número entero de una sola cifra diferente
de cero, se debe multiplicar por una potencia de diez Positiva.
Nota 2: Cuando la coma se desplaza hacia la derecha, para obtener el número entero de una sola cifra diferente
de cero, se debe multiplicar por una potencia de diez Negativa.
______________________________________________________
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Recuerde que: Se entiende por redondear un número, reducir el número de cifras del mismo,
consiguiendo un valor parecido, pero que se nos haga más fácil de utilizar en los procesos a desarrollar.
Recuerde que: Dos magnitudes son directamente proporcionales si la razón entre cada una de ellas y el
respectivo valor de la otra es igual a una constante.
En proporcionalidad directa se entiende que al aumentar una de las variables, la otra también aumenta
y al disminuir una de las variables, la otra también disminuye.
En proporcionalidad inversa, al aumentar una de las variables, la otra disminuye y viceversa.
Tenga presente que:
Magnitudes Escalares: Son aquellas que al asignarles un número y una unidad de medición, quedan bien
determinados.
Magnitudes Vectoriales: Son aquellas que además de asignarle un número y una unidad de medición,
hay que asignarle una dirección y un sentido.
Recuerde que:
Para sumar vectores en el plano se establece el siguiente procedimiento:
7. Se descompone cada vector en sus componentes rectangulares.
8. Se suman algebraicamente y por separado cada una de las componentes rectangulares.
9. Se halla la Magnitud del vector utilizando el Teorema de Pitágoras.
10. Se determina la Dirección del vector resultante utilizando la relación trigonométrica Tangente, con
las componentes halladas en la suma de las mismas.
Un vector, es una flecha dirigida (inclinada una cantidad de grados y orientada hacia el Norte, Sur, Este, Oeste) que posee un valor
numérico y una unidad de medida.
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11. Se halla el Sentido del vector resultante utilizando los signos de las sumas de las de las componentes
rectangulares.
12. Se grafica en el plano cartesiano el vector resultante.
Tenga en cuenta que: Cuando se lanza una bola desde una mesa con una Velocidad 𝑽𝟎 y al mismo
tiempo se deja caer otra bola, sus tiempos de llegada al suelo son iguales, por lo tanto se puede utilizar
la fórmula:
– 𝒙 = 𝑽𝟎 𝒕 Para la que se lanza con velocidad inicial, y
– 𝒚 =𝒈𝒕𝟐
𝟐 Para la caída libre
En la primera ecuación se despeja el 𝒕 (𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐) y se sustituye en la segunda, obteniendo lo siguiente:
𝒙 = 𝑽𝟎 𝒕 → 𝒕 =𝒙
𝑽𝟎
Reemplazando en la segunda ecuación se tiene:
𝒚 =𝒈(
𝒙
𝑽𝟎)𝟐
𝟐→ 𝒚 =
𝒈𝒙𝟐
𝟐(𝒗𝟎)𝟐
Si en la ecuación anterior se hace: 𝒂 =𝒈
𝟐(𝒗𝟎)𝟐, se tiene:
𝒚 =𝒈𝒙𝟐
𝟐(𝒗𝟎)𝟐 → 𝒚 = 𝒂𝒙𝟐 Que corresponde a la Ecuación de una Parábola, lo que nos muestra claramente que el
lanzamiento horizontal de una bola es un movimiento parabólico debido a la ecuación anterior.
Recuerde que:
En el movimiento parabólico solo hay una fuerza que actúa sobre este movimiento y es la gravedad,
pues horizontalmente no actúa ninguna fuerza.
La velocidad del movimiento horizontalmente es constante,
La velocidad vertical va disminuyendo hasta hacerse cero en su altura máxima, para empezar
nuevamente a adquirir una velocidad en aumento, mientras va en descenso.
El movimiento parabólico resulta de la composición de uno horizontal, (rectilíneo y uniforme) y otro
vertical (uniformemente variado), ya que inicialmente es retardado y luego acelerado.
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145 FISICA I
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Tenga en cuenta que:
ALTURA MAXIMA DEL PROYECTIL: Cuando el proyectil alcanza la altura máxima, la componente
vertical de la velocidad es NULA.
TIEMPO DE VUELO DEL PROYECTIL: El tiempo que dura el proyectil en el aire, es el doble del tiempo
que dura subiendo.
ALCANCE DEL PROYECTIL: Debido a que el movimiento horizontal es uniforme, su alcance está dado por:
𝒙 = 𝒗𝟎𝒙 ∗ 𝒕𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 (Ecuación 1), pero:
𝒗𝟎𝒙 = 𝒗𝟎𝒄𝒐𝒔 𝜽 y 𝒕𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 =𝟐𝒗𝟎 𝒔𝒆𝒏 𝜽
𝒈
– Reemplazando en la ecuación 1, se tiene:
𝒙 = 𝒗𝟎𝒙 ∗ 𝒕𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 → 𝒙 = 𝒗𝟎𝒄𝒐𝒔 𝜽 ∗𝟐𝒗𝟎 𝒔𝒆𝒏 𝜽
𝒈
– Efectuando las operaciones indicadas, el alcance 𝒙 estará dado por:
𝒙 =𝟐𝒗𝟎
𝟐𝒔𝒆𝒏 𝜽 𝒄𝒐𝒔𝜽
𝒈
Recuerde que:
Recuerde que: La velocidad constante con la que el móvil se desplaza sobre la circunferencia, también
se puede definir como la velocidad que lleva el móvil en un punto de la trayectoria, esta velocidad es
tangente a la trayectoria y por eso también se puede llamar Velocidad Tangencial. Esta velocidad es
directamente proporcional a la velocidad angular.
Recuerde que: En el M.C.U. la magnitud de la velocidad no cambia, pero si lo hace su dirección; Así que
el vector velocidad cambia de un punto a otro. La dirección de esta aceleración es radial dirigida hacia
el centro de la trayectoria, por ello se denomina Aceleración Centrípeta.
Recuerde que: Las velocidades angulares son inversamente proporcionales a los radios; Así estos
sistemas permiten multiplicar la rotación, entonces se da la siguiente relación:
𝝎𝒂
𝝎𝒃=
𝑹𝑩
𝑹𝑨
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Recuerde que: El Trabajo es una magnitud escalar y se representa por W (que es la letra inicial de trabajo
en inglés Work).
________________________________________________________
Tenga presente que: El trabajo que ejerce la fuerza sobre un cuerpo es igual a la energía necesaria
para desplazarlo en forma acelerada. ___________________________________________________
Recuerde que: El IMPULSO: es el realizado por una fuerza que obra sobre un cuerpo, y se define como
el producto de la fuerza por su tiempo de acción.
𝐼 = ��𝑡
________________________________________________________
Recuerde que: CANTIDAD DE MOVIMIENTO: Se define como el producto de la masa del cuerpo por su
velocidad:
𝑪𝑴 = �� = 𝒎��
________________________________________________________
Tenga presente que: La energía potencial (𝑬𝒑), como la energía que posee un cuerpo en virtud de su
altura (posición), está dada por:
𝑬𝒑 = 𝒎.𝒈. 𝒉
________________________________________________________
Tenga presente que: la energía cinética(𝑬𝒌), como la energía que posee un cuerpo en virtud de su
velocidad está dada por:
𝑬𝒌 =𝟏
𝟐𝒎.
𝒗𝟐
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5 GLOSARIO
La Física: Es una ciencia cuyo objetivo es estudiar Los componentes de la materia sus interacciones mutuas.
Notación Científica: Es una manera rápida de representar un número utilizando potencias de base diez. Esta notación se utiliza para poder expresar muy fácilmente números muy grandes o muy pequeños.
Factores de Conversión: El factor de conversión o de unidad es una fracción en la que el numerador y el denominador son cantidades iguales expresadas en unidades de medida distintas, de tal manera, que esta fracción equivale a la unidad.
La luz: Se llama luz (del latín lux, lucis) a la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el término luz se usa en un sentido más amplio e incluye todo el campo de la radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la expresión luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible.
El sonido: El sonido (del latín sonĭtus, por analogía prosódica con ruido, chirrido, rugido, etcétera), en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
El calor: l calor se define como la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo en termodinámica generalmente el término calor significa transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico.
El movimiento: En mecánica, el movimiento es un cambio de la posición de un cuerpo a lo largo del tiempo respecto de un sistema de referencia.
El electromagnetismo: Es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell.
La biología: La biología (del griego «βίος» bíos, vida, y «-λογία» -logía, tratado, estudio, ciencia) es la ciencia que tiene como objeto de estudio a los seres vivos y, más específicamente, su origen, su evolución y sus propiedades: nutrición, morfogénesis, reproducción, patogenia, etc. Se ocupa tanto de la descripción de las características y los comportamientos de los organismos individuales, como de las especies en su conjunto, así como de la reproducción de los seres vivos y de las interacciones entre ellos y el entorno.
La astronomía: La astronomía (del latín astronomía, y este del griego ἀστρονομία)1 es la ciencia que se ocupa del estudio de los cuerpos celestes del universo, incluidos los planetas y sus satélites, los cometas y meteoroides, las estrellas y la materia interestelar, los sistemas de materia oscura, estrellas, gas y polvo llamados galaxias y los cúmulos de galaxias; por lo que estudia sus movimientos y los fenómenos ligados a ellos. Su registro y la investigación de su origen vienen a partir de la información que llega de ellos a través de la radiación electromagnética o de cualquier otro medio.
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La Geología: a geología (del griego γῆ /guê/, ‘Tierra’, y -λογία /-loguía/, ‘tratado’)1 2 es la ciencia que estudia la composición y estructura interna de la Tierra, y los procesos por los cuales ha ido evolucionando a lo largo del tiempo geológico.
Medir: La medición es un proceso básico de la ciencia que consiste en comparar un patrón seleccionado con el objeto o fenómeno cuya magnitud física se desea medir para ver cuántas veces el patrón está contenido en esa magnitud.
Proporcionalidad: Es una relación o razón constante entre magnitudes medibles.
Magnitudes Físicas: Una magnitud física es una propiedad o cualidad medible de un sistema físico, es decir, a la que se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición o una relación de medidas. Las magnitudes físicas se miden usando un patrón que tenga bien definida esa magnitud, y tomando como unidad la cantidad de esa propiedad que posea el objeto patrón.
Magnitudes Vectoriales: En física, un vector (también llamado vector euclidiano o vector geométrico) es una magnitud física definida por un punto del espacio donde se mide dicha magnitud, además de un módulo (o longitud), su dirección (u orientación) y su sentido (que distingue el origen del extremo).
Cinemática: Es la rama de la Física que describe el movimiento de los cuerpos (no analiza las causas que lo producen).
Trayectoria: En cinemática, trayectoria es el lugar geométrico de las posiciones sucesivas por las que pasa un cuerpo en su movimiento. La trayectoria depende del sistema de referencia en el que se describa el movimiento; es decir el punto de vista del observador.
Movimiento: En mecánica, el movimiento es un cambio de la posición de un cuerpo a lo largo del tiempo respecto de un sistema de referencia.
Desplazamiento: Desplazamiento, en física es el cambio de posición de un cuerpo entre dos instantes o
tiempos bien definidos.
Distancia: En física, la distancia es una magnitud escalar, que se expresa en unidades de longitud.
Velocidad: La velocidad es una magnitud física de carácter vectorial que expresa el desplazamiento de un objeto
por unidad de tiempo. Se representa por o . Sus dimensiones son [L]/[T].1 2 Su unidad en el Sistema Internacional es el metro por segundo (símbolo m/s).
Aceleración: En física, la aceleración es una magnitud vectorial que nos indica el cambio de velocidad por unidad
de tiempo. En el contexto de la mecánica vectorial newtoniana se representa normalmente por o y
su módulo por . Sus dimensiones son . Su unidad en el Sistema Internacional es el m/s2.
Gravedad: La gravedad es una de las cuatro interacciones fundamentales. Origina la aceleración que experimenta un cuerpo físico en las cercanías de un objeto astronómico. También se denomina interacción gravitatoria o gravitación.
Movimiento Rectilíneo Uniforme:
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Un movimiento es rectilíneo cuando un móvil describe una trayectoria recta, y es uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, dado que su aceleración es nula. Es indicado mediante el acrónimo MRU.
Movimiento Rectilíneo Uniformemente variado: El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA), también conocido como movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV), es aquel en el que un móvil se desplaza sobre una trayectoria recta estando sometido a una aceleración constante.
Caída Libre: En física, se denomina caída libre al movimiento de un cuerpo bajo la acción exclusiva de un campo gravitatorio. Esta definición formal excluye a todas las caídas reales influenciadas en mayor o menor medida por la resistencia aerodinámica del aire, así como a cualquier otra que tenga lugar en el seno de un fluido; sin embargo, es frecuente también referirse coloquialmente a éstas como caídas libres, aunque los efectos de la viscosidad del medio no sean por lo general despreciables.
Movimiento circular: En cinemática, el movimiento circular (también llamado movimiento circunferencial) es el que se basa en un eje de giro y radio constante, por lo cual la trayectoria es una circunferencia. Si además, la velocidad de giro es constante (giro ondulatorio), se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio y centro fijos y velocidad angular constante.
Movimiento en el plano: Es un movimiento cuya trayectoria se desarrolla a lo largo de una línea contenida en un plano. Dado que un punto en el plano esta individuado por dos coordenadas, es posible estudiar este movimiento como la superposición de dos movimientos rectilíneos, uno a lo largo del eje x, otro a lo largo del eje y. Por esta razón se le llama movimiento en dos direcciones.
Tomado de: FISICA: Movimientos del plano
gn50csacmuc.blogspot.com
Trabajo: En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo1 de manera acelerada. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades.
Potencia: En física, potencia (símbolo P) es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.
Energía: El término energía (del griego ἐνέργεια enérgeia, ‘actividad’, ‘operación’; de ἐνεργóς [energós], ‘fuerza de acción’ o ‘fuerza trabajando’) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.
Energía Cinética: En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada.
Energía Potencial: En un sistema físico, la energía potencial es la energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración.
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Dinámica: La dinámica es la rama de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento.
Fuerza: Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales.
Choques elásticos: En física, se denomina choque elástico a una colisión entre dos o más cuerpos en la que éstos no sufren deformaciones permanentes durante el impacto. En una colisión elástica se conservan tanto el momento lineal como la energía cinética del sistema, y no hay intercambio de masa entre los cuerpos, que se separan después del choque.
Choques inelásticos: Un choque inelástico es un tipo de choque en el que la energía cinética no se conserva. Como consecuencia, los cuerpos que colisionan pueden sufrir deformaciones y aumento de su temperatura. En el caso ideal de un choque perfectamente inelástico entre objetos macroscópicos, éstos permanecen unidos entre sí tras la colisión. El marco de referencia del centro de masas permite presentar una definición más precisa.
Diagrama de cuerpo libre: Un diagrama de cuerpo libre es una representación gráfica utilizada a menudo por físicos e ingenieros para analizar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo libre. El diagrama de cuerpo libre es un elemental caso particular de un diagrama de fuerzas.
Inercia: En física, la inercia (del latín inertĭa) es la propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en su estado de reposo o movimiento, mientras la fuerza sea igual a cero, o la resistencia que opone la materia a modificar su estado de reposo o movimiento. Como consecuencia, un cuerpo conserva su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme si no hay una fuerza actuando sobre él.
Acción y reacción: Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.
Cantidad de Movimiento: La cantidad de movimiento, momento lineal, ímpetu o momentum es una magnitud física fundamental de tipo vectorial que describe el movimiento de un cuerpo en cualquier teoría mecánica.
Impulso: En mecánica, se llama Impulso a la magnitud física, denotada usualmente como I, definida como la variación en el momento lineal que experimenta un objeto físico en un sistema cerrado. El término difiere de lo que cotidianamente conocemos como impulso y fue acuñado por Isaac Newton en su segunda ley, donde lo llamó vis motrix, refiriéndose a una especie de fuerza del movimiento.
*Las definiciones anteriores fueron tomadas de: Wikipedia, la enciclopedia libre
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6 BIBLIOGRAFÍA
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SERWAY, Raymond. Física.4. Ed. Mexico: McGraw Hill, 1996.
ROBERT RESNICK, DAVID HALLIDAY. Física. 4. Ed. México: CECSA, 1997.
MICHAEL VALERO. FÍSICA I y II. 4. Ed. Colombia: Norma, 2001.
BENSON, Harris. Física universitaria. 2. Ed. México: CECSA, 1999.
BLATT, Frank J. Fundamentos de física. 3 Vd. México: Prentice-Hall, 1995.
WILSON, Jerry D. Física con aplicaciones. 2 Ed. México: McGraw-Hill, 1993
Young Freedman. Física Universitaria. Undécima edición. Editorial Pearson. 2006
INVESTIGUEMOS FISICA (Mauricio Villegas R. Ricardo Ramírez S )
FISICA UNIVERSITARIA (SEARS SEMANZKI )
FISICA GENERAL (BEATRIZ ALVARENGA)
FISICA CONCEPTUAL (PAUL HEWIT )
MONOGRAFIAS .COM.
WIKIPEDIA .COM.
6.1.1 FUENTES DIGITALES O ELECTRÓNICAS
http://lefmvespertino.usach.cl/animaciones.htm
http://www.unalmed.edu.co/~daristiz/virtual/laboratoriovirtual.htm
http://rinconciencia.go.to
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www.lawebdefisica.com
http://wwwfqprofes.net/
http://textoscientificos.com
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http://www.fisicanet.com.ar/
http://Acienciasgalilei.com
http://areaciencias.com
http://www.educaplus.org/directorio/index.php?mids=372161731&plant=otras_pags&cat=2
http://www.educaplus.org/directorio/index.php?mids=372161731&plant=otras_pags&cat=40
http://www.slideshare.net/diegoalvarez99/fisica-mecanica-diego-presentation
http://www.slideshare.net/Camilo/introduccion-fisica-magnitudes-dimensiones-415688
http://youtube.com